Matière et Révolution

Les photons sont la forme corpusculaire de la lumière (plus généralement des bosons). Mais il ne faut pas oublier que les bosons (comme les fermions qui sont les corpuscules de la matière) sont quantiques, c'est-à-dire non seulement procédant par quantités entières de grains d'une quantité appelée "action" (quantité équivalent au produit d'une énergie et d'un temps), mais aussi à la fois corpusculaires et ondulatoires.

Rappelons que bosons et fermions se distinguent parce que les premiers s'agglomèrent en grand nombre que les seconds ne le peuvent pas. Les premiers ne cessent de se multiplier pendant que les seconds se conservent...

Les bosons comme les fermions peuvent être captables par un appareil à notre échelle (on les dit alors « réels ») ou non captables mais détectables par leurs effets (on les dit alors « virtuels »).

On pouvait croire avoir des dualités réel/virtuel, onde/corpuscule, boson/fermion et on trouve finalement des unités dialectiques des contraires !!!

Des heurts entre des fermions donnent des bosons et des couples de bosons se transforment en fermions.

Les bosons et fermions dits réels fonctionnent par unités de quanta, et leurs homogues virtuels fonctionnent par demi unités de quanta. Il en résulte qu'il suffit de fournir un demi quanta à une unité virtuelle pour qu'elle devienne réelle…

Par exemple, dans la liaison atomique la plus simple, celle qui lie le proton et l'électron dans l'atome d'hydrogène, on est en présence d'un photon virtuel de 13.6 eV.

Autre exemple, à un niveau beaucoup plus interne, on peut prendre celui du noyau de deutérium, la liaison nucléaire entre le proton et le neutron est représentée par un 'nuage' de particules élémentaires telles que les mésons Pi, les Kaons et d'autres aux noms plus ou moins exotiques.
On les dit virtuelles parce qu'elles prennent naissance aussi vite qu'elles disparaissent pour respecter le principe de conservation de l'énergie.

Les fluctuations électromagnétiques, et donc les photons virtuels qui en sont la contrepartie dans le langage des particules, furent mises en évidence dès 1940, par la mesure du décalage des raies spectrales de l'hydrogène (Lamb shift) dû à un très léger changement des niveaux d'énergie de l'atome correspondant, et par la découverte d'une minuscule attraction entre deux plaques conductrices (effet Casimir).

La notion de « virtuel » fait appel à des seuils appelés inégalités d'Heisenberg. Quand on est en dessous ou proche de de ces seuils, on est dans le virtuel. Ce qui est inférieur à un quanta h est du virtuel, c'est-à-dire un phénomène du vide quantique.

En microphysique, les particules échangent des photons lumineux pour interagir. Ce phénomène fondamental de la matière/lumière a été interprété pour la première fois par les diagrammes de Feynman de l'électrodynamique quantique. Il s'agit du seul mode de description connu des interactions entre particules via les photons lumineux. Il a été vérifié par un grand nombre de calculs qui sont les plus précis de toute la physique. Cependant, pour bien des physiciens, la réalité des interactions révélées par Feynman n'est pas encore reconnu unanimement. En effet, elles nécessitent de reconnaître dans le vide un nombre infini de particules, d'antiparticules et de photons éphémères, appelés « virtuels » parce qu'ils sont trop fugitifs pour être mis en évidence par des mesures supérieures au temps de Planck. Les virtuels ne peuvent donc être mesurés par la matière/lumière. Au cours d'une transformation de matière/lumière, elles sont insensibles mais sont nécessaires au calcul et on est amené à supposer qu'elles apparaissent et disparaissent. Nous allons voir qu'au contraire les diagrammes de Feynman ne montrent pas que les corpuscules virtuels apparaissent et disparaissent mais que ce sont les corpuscules matériels dits réels qui apparaissent et disparaissent ! Ceux qui existent réellement sont donc les particules du vide et l'aspect réel, durable, n'est qu'une apparence, effet des interactions.

Le photon, tout comme le corpuscule de matière, est un phénomène fondé sur le vide quantique. C'est un couplage d'une particule et d'une antiparticule qui a reçu une énergie suffisante pour que le phénomène reste durable alors que les couples virtuels du vide disparaissent. Le photon est un phénomène périodique dans lequel le cycle consiste dans la transformation : couple virtuel donne photon, puis redonne couple virtuel. Ce phénomène n'est durable que s'il correspond à un certain rapport entre espace et temps. C'est cela qui est appelé « vitesse de la lumière ». La signification de ce rapport distance sur temps est qu'il faut une certaine quantité de vide autour pour effectuer la transformation du cycle entre virtuel et photon avec suffisamment d'énergie. Dans ce sens, la lumière est, comme la matière, une forme d'organisation du vide inorganisé (ou moins organisé), qui permet une transmission durable de l'énergie alors qu'à la base les couples virtuels ne sont pas durables. La différence avec la durabilité de la matière (des particules), c'est que l'énergie est utilisée pour séparer durablement la particule de son antiparticule à laquelle elle restait attachée dans le vide. Cela se réalise par le fait que la particule réelle s'apparie avec une antiparticule proche au sein de son nuage (et devient ainsi virtuelle) et libère ainsi une autre particule qui passe ainsi de virtuelle à réelle. Le dipôle a été cassé par l'apport d'énergie appelé boson de Higgs.

Les particules (virtuelles comme réelles) ne se touchent pas. En effet, elles sont entourées de particules et antiparticules (du virtuel de virtuel ou du virtuel) qui constituent des couches électrisées successivement positives et négatives qui repoussent toute autre particule qui s'approcherait trop.

Quant aux photons qui couplent une particule et une antiparticule, ces nuages entourant chaque particule amènent la particule et l'antiparticule a s'attirer (électriquement) puis à se repousser du fait de la couche virtuelle électriquement opposée à la charge de la particule.

Contrairement à la matière/lumière qui fonctionne par unités entières de un quanta h, les fluctuations du vide ont lieu par demi quanta, h/2, en plus ou demi quanta en moins, qui correspondent à des particules et antiparticules virtuelles fusionnant en un photon virtuel puis se redécomposant en un couples particule/antiparticule virtuels (comme électron/positon ou quark/antiquark). Il suffit qu'une particule virtuelle reçoive l'énergie nécessaire pour devenir réelle. Il suffit qu'une particule réelle perde de l'énergie pour redevenir virtuelle. Cette énergie peut être portée par un photon lumineux. Du coup, un photon d'énergie suffisante rend réelle une particule virtuelle. Inversement, l'émission d'un photon rend virtuelle une particule réelle.

Par exemple, dans la liaison atomique la plus simple, celle qui lie le proton et l'électron dans l'atome d'hydrogène, on est en présence d'un photon virtuel de 13.6 eV.

couplage électron-photon (appelé vertex) : un électron peut émettre ou absorber un photon ; ce processus a une probabilité proportionnelle à la charge électrique de l'électron ;

propagateur du photon : un photon peut être émis à un point donné de l'espace-temps et absorbé à un autre ; la probabilité ne dépend que de la distance dans l'espace-temps entre les deux points ;

propagateur de l'électron : un électron peut être émis à un point donné de l'espace-temps et absorbé à un autre.

« Un premier électron émet un photon, le photon se propage puis se matérialise en une paire électron-positon qui se propagent puis s'annihilent pour se retransformer en un photon qui se propage et est finalement absorbé par un deuxième électron. Ce processus contient huit diagrammes élémentaires : quatre font intervenir le couplage électron-photon, deux le propagateur du photon et deux le propagateur de l'électron. (...) Trois diagrammes suffisent pour décrire tous les processus de l'électromagnétisme : couplage électron-photon (appelé vertex) : un électron peut émettre ou absorber un photon ; ce processus a une probabilité proportionnelle à la charge électrique de l'électron ; propagateur du photon : un photon peut être émis à un point donné de l'espace-temps et absorbé à un autre ; la probabilité ne dépend que de la distance dans l'espace-temps entre les deux points ; propagateur de l'électron : un électron peut être émis à un point donné de l'espace-temps et absorbé à un autre ; la probabilité est dans ce cas plus compliquée à décrire et elle dépend aussi de la masse de l'électron. Mais le calcul pose des problèmes apparemment insurmontables : il faut additionner les diagrammes de Feynman pris à tous les points de l'espace-temps. Or la somme sur toutes les paires de points de l'espace-temps de la boucle du diagramme représentant la propagation de la paire électron-positon donne un résultat infini. Il existe par ailleurs deux autres diagrammes de Feynman en boucle qui donnent des résultats infinis. (...) Autre exemple du problème des infinis : quelle est la force nécessaire pour mettre en mouvement un électron initialement au repos ? Conformément à la théorie de Maxwell, toute particule chargée accélérée émet des ondes électromagnétiques. Or, ces dernières agissent sur l'électron en le freinant. Le calcul de cette force de freinage selon la théorie de Maxwell donne un résultat infini. Il serait donc impossible de déplacer un électron, ce qui est bien sûr contredit par l'expérience ! Ce n'est qu'en 1949 que Julian Schwinger, Richard Feynman, Sin-Itiro Tomonaga et Freeman Dyson parviennent à résoudre ce problème des quantités infinies des diagrammes en boucle : ils le contournent en inventant une méthode de calcul ingénieuse appelée renormalisation. Elle introduit enfin les concepts quantiques de façon cohérente dans la théorie de Maxwell. Cette nouvelle théorie est appelée électrodynamique quantique. (...) L'électrodynamique quantique est valable jusqu'à une certaine distance minimale qu'on choisit plus ou moins arbitrairement : l'addition des diagrammes de Feynman en boucle sur tous les points de l'espace-temps s'arrête alors à cette distance. On évite ainsi les quantités infinies mais le résultat du calcul de ces diagrammes dépend de cette distance minimale. »

Les photons « réels » définissent l'espace et les photons « virtuels » définissent le temps. Près de la matière, un photon rencontre sans cesse des particules et sont absorbées par elles avant qu'un nouveau photon soit réémis. Ce processus d'absorption/émission définit une distance de libre (sans absorption) parcours moyen. Cette distance donne une échelle locale de l'espace. Lorsque l'on va du vide aux masses matérielles, cette distance diminue sans cesse. C'est un mouvement irréversible qui définit un sens d'écoulement du temps qui n'existe que près des masses matérielles. Dans le vide, il n'y a aucun sens d'écoulement du temps. Plus on s'approche d'une grande masse de matière, plus l'écoulement du temps est rapide (relativité d'Einstein). Les grands espaces quasiment vides qui séparent les galaxies connaissent un écoulement du temps beaucoup plus long. Conformément au fait que les photons lumineux réels qui en mesurent la distance se déplacent à vitesse globalement constante, c, cela signifie que la distance mesurée est plus grande. Plus la matière se concentre plus le vide s'étend. Plus se constituent des étoiles et des galaxies et plus l'univers pris dans son ensemble d'étend. C'est le vide qui grandit et non les distances au sein de la matière. Cela signifie que la gravitation est un effet global opposé à l'expansion et non une interaction liée à une structure du type onde/corpuscule. La gravitation découle donc du processus qui construit en permanence la mesure de l'espace-temps.

Ce qui caractérise la matière, c'est son existence durable. Ce qui caractérise le vide, c'est l'existence brève de ses quantons qui sont dits virtuels mais, rappelons-le, qui sont bel et bien réels. Ils sont seulement éphémères car ils s'accouplent très rapidement même si c'est en un temps aléatoire. Quand ils s'accouplent ils forment un photon. Qu'est-ce qui rend la particule de matière un peu plus « durable » ? C'est une particule virtuelle qui a reçu un boson de Higgs. Quelle hypothèse peut permettre de comprendre ce qui rend une telle particule un peu plus durable, c'est-à-dire qui retarde son accouplement avec un quanton virtuel du vide voisin ? Le fait que la matière constitue une espèce de trou au sein du vide quantique et retarde ainsi les accouplements possibles. D'où pourrait provenir ce « trou », cet isolement de la particule de matière, dite « particule réelle », par rapport aux particules du vide qui sont ses voisines, dites particules virtuelles ? La particule qui aurait reçu un boson de Higgs émettrait une onde de matière, dite onde de Broglie, qui repousserait les quantons virtuels voisins. Ce faisant, il y aurait modification du temps désordonné du vide. Le temps du vide est marqué par la durée moyenne d'accouplement des quantons virtuels. Ce temps serait modifié par la présence de la particule de masse (particule ayant reçu un boson de Higgs) du fait de l'écartement des particules virtuelles voisines. Le temps local tel que nous le connaissons (et non pas tel qu'il existe dans le vide quantique) serait dû à un retardement des interactions avec les quantons virtuels de l'environnement vide. Si une particule se trouve elle-même non dans un environnement vide mais dans un environnement de particules, une moyenne d'interactions avec les quantons virtuels va s'établir, menant à un temps moyen ou temps local. Le déplacement moyen d'une particule durant ce temps va également définir un espace. La matière durable (dite réelle) va ainsi définir un espace et un temps.

Pour subsister, la particule doit brutalement émettre un ou plusieurs photons par un processus qui est assimilable à un choc et par lequel la particule saute d'un état à un autre. Par l'émission de certains bosons (particules d'interaction), ceux du mécanisme de Higgs, la particule cède sa propriété de masse à la particule virtuelle voisine. Le virtuel devient réel et inversement, par une procédure assimilable au même type de choc et qui fonde une nouvelle structure. C'est par ce mécanisme de changement brutal que les caractéristiques de l'ancienne particule sont conservées. La conservation structurelle a eu lieu aux dépens de la matérialité de la particule. Cette dernière a disparu ou, plus exactement, ce n'est plus le même grain qui en est porteur. C'est au prix de cette disparition et de cette apparition que la matière se conserve au plan structurelle (conservation de la masse, de la charge, de l'énergie, etc).

Gilles Cohen-Tannoudji dans "La Matière-espace-temps" :

« La théorie classique de l'électromagnétisme constitue la base de toute l'expérimentation en physique des particules : accélération et détection mettent en jeu les interactions de particules chargées avec des champs électromagnétiques. Cela signifie qu'à l'origine du signal macroscopique obtenu par amplification se trouve toujours un signal microscopique de nature électromagnétique. On s'attend donc que le discontinu et le discret apparaissent dans la description des phénomènes électromagnétiques mettant en jeu des actions de l'ordre de h (constante de Planck). L'effet photoélectrique est justement une première manifestation de ce caractère discontinu. Cet effet consiste en la production d'un courant électrique par l'irradiation d'un métal photo-électrique par un faisceau lumineux. Ce courant correspond à l'arrachement d'électrons par le rayonnement. Le caractère discontinu de l'effet photoélectrique réside dans l'existence d'un seuil de fréquence. En dessous de ce seuil, l'effet photoélectrique ne se produit pas quelle que soit l'intensité du rayonnement. (…) De tels effets sont totalement incompréhensibles en théorie classique. L'interprétation proposée par Einstein en 1905 consiste à supposer que l'énergie du champ électromagnétique est transmise aux électrons grain par grain, par quanta. (…)

En théorie quantique, la force exercée entre deux charges électriques est due à l'échange de photons virtuels. Ces photons sont virtuels car leur existence est éphémère. (...) Des particules quantiques peuvent se trouver dans un état virtuel pendant des durées limitées par les inégalités d'Heisenberg. (...) Le nombre de photons ainsi échangés étant proportionnel au produit des deux charges, on retrouve ainsi la loi de Coulomb. Plus formellement on peut associer à un diagramme de Feynman, dans lequel une seule particule virtuelle est échangée, un potentiel effectif. (...) C'est le potentiel de la théorie classique. La nature attractive ou répulsive du potentiel dépend du signe des constantes de couplage à chacun des vertex du diagramme de Feynman. (...) On dit qu'il y a une transition virtuelle si le diagramme de Feynman comporte au moins une boucle. (...) L'électron n'est pas pensable sans son cortège de photons potentiels. (...) Toute la matière et toutes les interactions sont donc présents dans l'espace vide pourvu que l'on considère cet espace pendant des intervalles de temps suffisamment brefs. Un électron, vu au « microscope », manifeste des structures à toutes les échelles. Ces structures traduisent le caractère indissociable de l'électron et des quanta des champs de force qu'il émet puis réabsorbe. On a là un processus de type fractal. On peut donner un exemple de ce type de structures fractales. (…) L'équilibre entre la phase vapeur et la phase liquide de l'eau présente, dans les conditions de température et de pression voisines du point critique (P=221 bars, T=647°K), une particularité fascinante. Si on examine un échantillon d'eau placé dans ces conditions on observe des gouttes de liquide et des bulles de gaz. Au fur et à mesure que la résolution de l'appareil s'améliore, le phénomène se reproduit sans cesse : les phases liquides et gaz s'emboîtent les unes dans les autres et sont mêlées les unes dans les autres à toutes les échelles de distance. La nouvelle conception de l'élémentarité repose sur un « équilibre » quelque peu similaire : ainsi, ce qui apparaît comme un électron lorsqu'il est « vu » avec une résolution modeste se révèle émettre un photon virtuel ensuite réabsorbé. Avec une résolution encore meilleure, ce photon virtuel peut émettre une paire électron-positron qui se recombine ensuite ; ces paires ne peuvent être réelles car cela violerait le principe de la conservation de l'énergie. La durée de ces transitions virtuelles est limitée par les inégalités d'Heisenberg. (…) L'électron est ainsi habillé d'un nuage de charges positives et négatives. Ces paires virtuelles ont tendance à se polariser, c'est-à-dire à s'orienter vers l'électron, les charges positives masquant la charge nue de l'électron. (…)
En électrodynamique quantique, la force élémentaire entre deux particules de matière est décrite par le diagramme de Feynman d'échange d'un photon virtuel. Mais les transitions virtuelles introduisent des corrections radiatives (purement quantiques) qui peuvent être évaluées grâce à la théorie de la renormalisation. Ces corrections sont interprétées physiquement comme une polarisation du vide : le photon virtuel se matérialise en une paire électron-positron qui s'annihile pour redonner un photon virtuel. Cette polarisation du vide produit un effet d'écran : un électron numéro deux « voit » une charge électrique de l'électron numéro un « écrantée » par la polarisation du vide. C'est d'ailleurs dans cet effet d'écran que réside l'essentiel de la renormalisation : la charge « nue » de l'électron est infinie, c'est la polarisation du vide par les paires électron-positron (qui vivent le temps des transitions virtuelles) qui écrante, renormalise cette charge et en fait une charge physique, finie, effective, dépendant de la résolution.
En électrodynamique quantique donc, le vide est assimilé à un milieu diélectrique, polarisable par les fluctuations quantiques, capable d'écranter la charge électrique. La charge renormalisée décroît quand la distance croît. (…)
Une question lancinante persiste : pourquoi la charge électrique est-elle quantifiée et non continue, et pourquoi la charge des protons qui eux sont formés de quarks (qui a priori n'ont pas grand-chose en commun avec les électrons) est-elle juste opposée à la charge électrique des électrons ? (…) Une voie paraît possible pour tenter d'expliquer la quantification de la charge électrique, c'est la voie de l'unification. (…) Regrouper quarks et leptons dans une même représentation signifie qu'il existe une symétrie dont découlent à la fois les interactions des quarks et celles des leptons. C'est donc qu'il existe une description unifiée des interactions fortes, faibles et électromagnétiques. (…)
Dans l'histoire du cosmos, des transitions de phase, s'accompagnant de brisures de symétries ont différencié les particules et leurs interactions, et produit le germe de toute la variété des structures actuellement présentes dans l'univers. (…) Le vide quantique (c'est-à-dire l'état d'énergie minimale) passe par une série de transitions de phase : déconfinement des quarks et des gluons, annulation de la masse des bosons intermédiaires, annulation de la masse des leptoquarks vers dix puissance 15 gigaélectronvolts. A ce niveau, les différentes interactions deviennent indiscernables. Les particules, qui ne peuvent être différenciées que par la manière dont elles interagissent, deviennent à leur tour indiscernables. »

Paul Davies écrit dans "Les forces de la nature" :

« Le lecteur ne doit pas s'imaginer que ce nuage de photons virtuels autour d'un électron n'est qu'un gadget heuristique. Ces photons ont des effets réels, mesurables, bien que faibles en raison de la petitesse du couplage. (...) Toutes les particules quantiques existent sous forme virtuelle, pas seulement les photons. Par exemple, une paire virtuelle électron-positron peut apparaître brièvement, avant de s'annihiler dans les limites permises par les relations d'incertitude. Un photon peut ainsi se convertir soudain en une telle paire au cours de son voyage. Cela implique que deux photons peuvent se diffuser mutuellement via l'interaction de telles paires virtuelles électron-positron, processus impossible en physique classique où les faisceaux lumineux se pénètrent sans se perturber. Le fait que tous les photons, réels aussi bien que virtuels, passent une partie de leur vie sous forme d'une paire électron-positron conduit à un effet intéressant appelé polarisation du vide. Les photons virtuels qui entourent toute particule chargée contiennent des paires virtuelles électron-positron. Si la particule centrale est un électron, par exemple, sa charge électrique aura tendance à attirer les positrons virtuels et à repousser les électrons virtuels. Cette polarisation a un effet d'écran sur la charge centrale, et la charge effectivement perçue au loin est plus faible que la charge réelle de l'électron. (...) Le champ magnétique de l'électron est une autre confirmation importante de l'existence de photons virtuels. Le nuage virtuel modifie légèrement le moment magnétique…

La théorie quantique du champ électromagnétique doit pouvoir décrire bien plus que la simple émission ou absorption de photons. Quand deux particules chargées interagissent à distance et s'attirent ou se repoussent, les forces qui perturbent leur mouvement sont d'origine électromagnétique. Deux particules de même charge s'approchant l'une de l'autre, soumises à une force de répulsion mutuelle, sont déviées (processus appelé diffusion). L'explication classique de la diffusion est qu'il y a un transfert continu d'énergie et d'impulsion entre les deux particules via le champ électromagnétique et ce transfert est cause de la déviation des trajectoires. La description quantique de ce processus ne peut pas faire appel à de tels concepts, car les particules quantiques comme les électrons ne suivent pas des trajectoires bien définies et la propagation d'énergie et d'impulsion doit être décrite en termes d'échanges de photons. (…) Des particules de charges opposées s'attirent également en échangeant un photon. La force de répulsion (ou d'attraction) entre des particules chargées peut se calculer comme un effet du transfert de photons virtuels entre elles.

Pour distinguer un photon « ordinaire », qui possède une énergie et une impulsion bien définies, des photons éphémères échangés au cours d'une diffusion, ceux-ci sont appelés virtuels. Les photons virtuels ne sont pas vus explicitement dans une diffusion. Les photons virtuels ne sont pas vus explicitement dans une diffusion : il s'agit d'un arrangement strictement privé entre les particules chargées en jeu. Nous pouvons considérer ces photons virtuels comme des messagers, porteurs de la force électromagnétique. En général, un photon virtuel peut vivre pendant un laps de temps égal à la constante de Planck divisée par l'énergie du photon, soit l'inverse de sa fréquence. Pendant ce temps, le photon virtuel parcours une distance égale à la vitesse de la lumière c divisée par la fréquence, soit une longueur d'onde. Cela diffère beaucoup d'un photon réel qui se détache complètement de l'électron qui l'émet et peut voyager très loin, jouissant d'une existence autonome. Les photons virtuels décrivent le champ à proximité d'une charge électrique, tandis que les photons réels appartiennent au champ lointain (le rayonnement). Les photons virtuels ne privent pas de façon permanente un électron d'énergie, des photons réels le peuvent. Nous pouvons considérer ces photons virtuels comme des messagers, porteurs de la force électromagnétique. En général, un photon virtuel peut « vivre » pendant un laps de temps égal à la constante de Planck h divisée par l'énergie empruntée, ici celle d'un photon soit constante de Planck fois la fréquence, donc ce laps de temps est l'inverse de la fréquence du photon. Pendant cette durée de vie, le photon parcourt une distance égale à la vitesse de la lumière c fois le temps, donc c divisé par la fréquence égale une longueur d'onde. Cela diffère beaucoup d'un photon réel qui se détache complètement d'un électron et peut voyager très loin, jouissant d'une existence autonome. Les photons virtuels décrivent le champ à proximité d'une charge électrique, tandis que les photons (dits réels) appartiennent au champ lointain (le rayonnement). Les photons virtuels ne privent pas de façon permanente un électron d'énergie, des photons réels le peuvent. Nous pouvons identifier les photons virtuels au champ électrostatique, qui décroit comme l'inverse du carré de la distance de la particule chargée, et les photons réels au rayonnement électromagnétique qui décroit plus lentement, comme l'inverse de la distance, et voyage donc au loin. (…) En raison de la relation d'incertitude temps-énergie, il est impossible de dire quelle est la particule qui, dans une diffusion, émet le photon virtuel et quelle est celle qui l'absorbe. L'ordre dans lequel se produisent ces deux événements proches ne peut être déterminé. (…) Un photon virtuel ne peut voyager au-delà d'une longueur d'onde et il est donc inutilisable pour transporter les messages. Seuls les photons réels transportent une information. (…) Un électron isolé peut être considéré comme émettant et réabsorbant continuellement des photons virtuels, dans les limites permises par les relations d'incertitude. Chaque électron est enveloppé d'un essaim de photons virtuels qui bourdonnent autour de lui de façon éphémère. Cela est aussi vrai de toutes les particules chargées. Les photons virtuels qui enveloppent un électron lui sont étroitement liés par le principe d'incertitude, et ne s'aventurent jamais très loin. Si pourtant l'électron venait à disparaitre, les photons virtuels n'auraient plus rien pour les retenir et s'en iraient au loin comme les photons réels. Une disparition soudaine d'un électron n'est pas aussi improbable qu'il le semble : nous savons que s'il venait à rencontrer un positron, il s'annihilerait avec lui. Nous pouvons donc considérer les rayons gamma produits par l'annihilation d'un électron et d'un positron comme le résidu des photons virtuels que ces particules emportaient toujours avec elles, et que leur soudaine disparition a libéré. (…) Le lecteur ne doit pas considérer que ce nuage de photons virtuels autour d'un électron n'est qu'un gadget heuristique. Ces photons ont des effets réels, mesurables bien que faibles en raison de la petitesse du couplage. L'un des plus célèbres est le léger décalage qui apparaît dans les niveaux d'énergie de tous les atomes, de l'hydrogène en particulier et que l'on appelle le décalage de Lamb. Il est dû à la perturbation apportée par le noyau, chargé électriquement, au nuage de photons virtuels qui entoure l'électron, perturbation qui change un tout petit peu l'énergie de l'électron. Toutes les particules quantiques existent sous forme virtuelle, pas seulement les photons. Par exemple, une paire virtuelle électron-positron peut apparaître brièvement, avant de s'annihiler dans les limites permises par les relations d'incertitude. Un photon peut ainsi se convertir soudain en une telle paire au cours de son voyage. Cela implique que deux photons peuvent se diffuser mutuellement via l'interaction de telles paires virtuelles électron-positron, processus impossible en physique classique où les faisceaux lumineux se pénètrent sans se perturber. Le fait que tous les photons, réels aussi bien que virtuels, passent une partie de leur vie sous forme d'une paire virtuelle électron-positron conduit à un effet intéressant appelé la polarisation du vide. Les photons virtuels qui entourent toute particule chargée contiennent des paires virtuelles électron-positron. Si la particule centrale est un électron, par exemple, sa charge électrique aura tendance à attirer les positrons virtuels et à repousser les électrons virtuels. Cette polarisation a un effet d'écran sur la charge centrale, et la charge effectivement perçue au loin est plus faible que la charge réelle de l'électron. (...) Même en l'absence de particules réelles, l'espace apparemment « vide » est rempli d'un ferment de particules virtuelles de toutes sortes. En fait, les jongleries des particules réelles peuvent être considérées comme une simple écume sur un océan d'activité frémissante du vide.
Le champ magnétique de l'électron est une autre confirmation importante de l'existence de photons virtuels. Le nuage virtuel modifie légèrement le moment magnétique.
(…) Pourquoi les autres forces de la nature ne seraient-elles pas décrites de la même façon ? Yukawa fit dès 1935 une première tentative ne ce sens, pour décrire la force nucléaire forte. (…) Nous avons expliqué que l'échange d'un photon virtuel conduit à une force entre particules chargées électriquement. Yukawa suggéra que tout proton ou neutron était entouré d'un nouveau type de champ, auquel il se couple via une « charge nucléaire », tout comme un électron se couple au champ électromagnétique via une charge électrique. Ce nouveau champ a des quanta d'excitation (des particules virtuelles) analogues aux photons, et l'échange de ces particules virtuelles entre neutrons et protons engendre une force attractive. (…) Opérant par quanta virtuels, l'interaction entre deux particules ne peut avoir lieu au-delà de la distance maximale que peuvent parcourir ces quanta. Ces limites sont fixées par les inégalités d'Heisenberg qui disent qu'un quantum d'énergie E a une durée de vie h (constante de Planck) divisé par deux fois pi fois E et peut donc parcourir une distance c fois plus grande (c étant la vitesse de la lumière) avant d'être absorbé. Dans le cas électromagnétique, l'énergie E peut être aussi faible que l'on veut : il suffit de considérer des photons virtuels de très basse fréquence. C'est pour cela que la force électromagnétique a une très grande portée, l'énergie de l'interaction diminuant comme l'inverse de la distance, et la force comme l'inverse du carré de la distance. Pour obtenir une force de courte portée, Yukawa supposa que les quanta du nouveau champ nucléaire avaient une masse m. De cette façon, l'énergie E à emprunter pour créer un quantum virtuel est au moins égale à mc², et le principe d'incertitude ne permet pas à ce dernier d'exister plus d'un temps de h divisé par deux pi fois mc² avant d'être réabsorbé. (…) La portée de la force est à peu près h divisé par deux pi fois mc. (…) La masse doit être environ trois cent fois la masse de l'électron. Les quanta du champ nucléaire furent appelés des mésons. Plus tard on les appelé mésons pi ou pions. (…) Les particules chargées électriquement sont entourées d'un nuage de photons virtuels. De même, les protons et les neutrons sont entourés d'un nuage de mésons virtuels, dont certains portent une charge électrique. La preuve directe de l'existence de ce nuage vient de la diffusion d'électrons (insensibles à la force nucléaire) sur les mésons virtuels chargés par interaction électromagnétique. Cet essaim tourbillonnant de charges électriques crée un champ magnétique. La théorie de quarks complète aujourd'hui cette explication. (…) La durée de vie du neutron, de l'ordre du quart d'heure, est extrêmement longue selon les standards nucléaires, ce qui signifie qu'elle est l'œuvre d'une force très faible. La quatrième force connue de la nature est donc appelée l'interaction faible, par opposition à l'interaction forte. (…) Un neutron et un antineutrino pénètrent dans une région d'interaction très localisée et en émergent sous la forme d'un proton et d'un électron. (…) Yukawa suggère que cette transmutation est due à l'échange d'un nouveau type de particule messagère (quantum virtuel d'un champ) appelé W. (…) On annonça début 1983 la découverte du W, avec une masse environ 80 fois supérieure à celle du proton. (…) Nous avons dit que le pion était instable et se désintégrait. Le principal mode de désintégration des pions est sous forme d'un muon (ou d'un antimuon) plus un neutrino ou un antineutrino. (…) En fait, le muon a été découvert avant le pion en 1937. (…) Le muon lui-même est instable en un électron ou un positron plus un neutrino et un antineutrino. (…) Des particules comme le pion se désintègrent au bout d'un temps très court. Le pion zéro par exemple se désintègre en moins d'un dix-millionième de milliardième de seconde. (…) A comparer avec le temps mis par la lumière pour traverser un proton ou un neutron : un milliard de fois moins que cette durée. (…) La base de la théorie des quarks est très simple :il faut trois quarks pour former un baryon, soit un quark s'unit à un antiquark pour former un méson. (…) Il existe six sortes de quarks (on dit six saveurs) : u, s, d, c, t, et b). (…) La formation et la désintégration des particules s'expriment en termes de quarks. Dans la désintégration du neutron, un quark d est remplacé par un quark, ce qui fait que udd donne uud, soit un neutron se transforme en un proton plus un positron et un antineutrino. (…) Si les quarks sont liés, il doit bien y avoir une force qui les attire les uns vers les autres, une force extrêmement forte. L'interaction entre quarks et entre nucléons est appelée la force forte. (…) les quarks existent sous trois formes différentes qu'on a appelé couleurs : rouge, vert et bleu. (…) La théorie qui incorpore toutes ces caractéristiques de la force entre quarks est la Chromodynamique quantique ou QCD. (…) Nous avons expliqué que la charge d'un électron polarise le vide en attirant les positrons virtuels et en repoussant les électrons virtuels dans l'espace autour de lui. Cela écrante sa charge, diminuant la force effective ressentie à distance. Un effet semblable de polarisation se passe autour d'un quark, mais cette fois il met en jeu la couleur au lieu de la charge électrique. La charge de couleur d'un quark attire les antiquarks virtuels de l'anticouleur appropriée. Le vide contient aussi des gluons virtuels, qui participent aussi à la polarisation puisqu'ils sont colorés, mais leur effet est au contraire de renforcer la charge de couleur au lieu de l'écranter. Les gluons l'emportent sur les quarks, et le résultat net est que la charge effective de couleur augmente au lieu de diminuer. Pour deux quarks très proches, l'effet anti-écran est évité, expliquant le confinement des quarks.

Les physiciens pensent que le vide peut être rempli de paires de particules « virtuelles », comme des électrons et des positrons, qui se créent et s'annihilent rapidement ensuite[78]. La combinaison de la variation d'énergie nécessitée pour créer ces particules, et du temps pendant lequel elles existent reste en-dessous du seuil de détectabilité exprimé par le principe d'incertitude de Heisenberg. Pratiquement, l'énergie demandée pour créer les particules, , peut être « empruntée » au vide pour une durée, dans la mesure où le produit n'est pas plus grand que la constante de Planck réduite ħ ≈ 6,6×10-16 eVs. Donc pour une paire électron-positron virtuelle, est au plus de 6,6×10-22 s[79].
Tandis qu'une paire virtuelle électron-positron subsiste, la force coulombienne du champ électrique ambiant entourant un électron fait que le positron est attiré par ce dernier, tandis que l'électron de la paire est repoussé. Ceci provoque ce que l'on appelle polarisation du vide. En fait, le vide se comporte comme un milieu ayant une permittivité diélectrique supérieure à l'unité. Donc la charge effective d'un électron est plus faible que sa valeur nominale, et la charge diminue quand la distance à l'électron augmente. Cette polarisation a été confirmée expérimentalement en 1997 en utilisant l'accélérateur de particules japonais TRISTAN. Les particules virtuelles provoquent un effet de masquage comparable pour la masse de l'électron.

L'interaction avec des particules virtuelles explique aussi la légère déviation (environ 0,1%) entre le moment magnétique intrinsèque de l'électron et le magnéton de Bohr (le moment magnétique anomal). La précision extraordinaire de l'accord entre cette différence prévue par la théorie et la valeur déterminée par l'expérience est considérée comme une des grandes réussites de l'électrodynamique quantique.

En physique classique, le moment angulaire et le moment magnétique d'un objet dépendent de ses dimensions physiques. Il paraît donc incohérent de concevoir un électron sans dimensions possédant ces propriétés. Le paradoxe apparent peut être expliqué par la formation de photons virtuels dans le champ électrique engendré par l'électron. Ces photons font se déplacer l'électron de façon saccadée (ce qui s'appelle Zitterbewegung en allemand, ou mouvement de tremblement) qui résulte en un mouvement circulaire avec une précession. Ce mouvement produit à la fois le spin et le moment magnétique de l'électron. Dans les atomes, cette création de photons virtuels explique le décalage de Lamb (Lamb shift) observé dans les raies spectrales.

En électrodynamique quantique, l'interaction électromagnétique entre particules est transmise par des photons. Un électron isolé, qui ne subit pas d'accélération, ne peut pas émettre ni absorber un photon réel : ceci violerait la conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement. Par contre, des photons virtuels peuvent tranférer de la quantité de mouvement entre deux particules chargées. C'est cet échange de photons virtuels qui, en particulier, engendre la force de Coulomb. Une émission d'énergie peut avoir lieu quand un électron en mouvement est défléchi par une particule chargée, comme un proton. L'accélération de l'électron résulte en émission de rayonnement continu de freinage (Bremsstrahlung en allemand). Une courbe montre le mouvement de l'électron ; un point rouge montre le noyau, et une ligne ondulée le photon émis Ici, le bremsstrahlung est produit par un électron e défléchi par le champ électrique d'un noyau atomique. Le changement d'énergie E2 — E1 détermine la fréquence f du photon émis. »

Maurice Jacob, dans « Au cœur de la matière » :

« L'interaction électromagnétique correspond à l'échange de photons qui se couplent aux particules chargées en fonction de la charge électrique, quelle que soit celle qui la porte… Prenons un électron absorbant un photon. Nous sommes déjà assez familiers avec les mécanismes quantiques pour savoir que le vide est animé par la création continuelle et la disparition rapide de paires électron-positron. Ce sont des paires virtuelles mais cela va compliquer notre processus d'absorption qui ne demande qu'un temps très bref durant lequel ces paires virtuelles ont bien le temps de se manifester. L'électron, de charge négative, va ainsi attirer les positrons de ces paires virtuelles en repoussant leurs électrons. « Approchant » de l'électron, le photon va ainsi le « voir » entouré d'un « nuage » de charge positive dû aux positrons virtuels attirés… C'est une version quantique de l'effet d'écran… Revenons à notre électron absorbant un photon tout en s'entourant d'un nuage virtuel contenant plus de positrons que d'électrons… Il se trouve que, dans le calcul quantique, l'effet principal peut être conçu comme la transformation du photon en une paire électron-positron, qu'il réabsorbe avant l'interaction. C'est le terme dominant de l'effet d'écran. »

Physique atomique et moléculaire, leçon inaugurale de Claude Cohen-Tannoudji

Processus d'interaction entre photons et atomes

Au cœur de la matière de Maurice Jacob

Un photon, c'est quoi ?!!!

Robert Paris — 2017-12-06T00:29:00Z

Qu'est-ce qu'un photon ? Un corpuscule de lumière ?!!

On parle souvent de photon lumineux mais cela ne couvre qu'une petite partie des fréquences possibles du photon, celles de la lumière visible. L'étrangeté du terme « photon » est qu'il sous-entend un corpuscule, qu'il est donc discontinu alors que la notion de fréquence fait penser à une onde qui est, au contraire, discontinue et occupe tout l'espace. C'est que, depuis la physique quantique, nous sommes amenés à ne jamais séparer ces deux types d'existence pourtant contradictoires.

Le photon, c'est le quantum du champ électromagnétique. Cela signifie que le champ électromagnétique (lumineux ou pas) est discontinu. L'expression « photon » signifie que l'on décrit la lumière (ou l'électromagnétisme) par un corpuscule, c'est-à-dire comme quelque chose de ponctuel. On a inventé le concept de photon quand on a vu que la lumière ne pouvait être absorbée ou émise que par quantités finies indivisibles.

Lumière et matière sont tous deux quantiques, c'est-à-dire qu'ils se comportent comme des paquets de grains, les quanta, contenant tous la même quantité d'un paramètre physique appelé « l'action » et qu'ils sont quantiques au sens qu'ils sont probabilistes et fondés sur la dualité onde/corpuscule.

Une des différences entre lumière et matière, c'est que la lumière a tendance à s'agglomérer (statistique de Bose) et la matière non (statistique de Fermi). C'est pour cela qu'on appelle le photon un boson et la particule de matière un fermion.

Le photon ne doit pas être conçu comme un « simple » objet, il n'a pas de position fixe, ni de trajectoire. Il ne répond pas à la continuité. Il est comme tous les corpuscules quantiques, contradictoire, à la fois ondulatoire et corpusculaire.

Les photons (appelés « lumière » ou radiation électromagnétique) sont constitués par le couplage d'une particule et d'une antiparticule virtuels (du vide quantique) qui, en échangeant sans cesse des interactions fondées sur le niveau inférieur, sont couplés.

La matière se couple avec les particules et antiparticules virtuelles du vide, en émettant des photons. La matière ne fait pas qu'émettre et recevoir des photons : après échange, la particule n'est plus la même et le photon n'est plus le même. La matière est électrisée comme le sont les particules et antiparticules virtuelles. En recevant ou en émettant un photon, la particule se couple avec l'un des éléments du couple particule/antiparticule du photon, celui qui est d'électricité opposée.

Les particules « réelles » ne relationnent pas par contact mais via des photons. Les particules virtuelles ne relationnent pas par contact mais via des photons virtuels qui sont constitués du couplage d'une particule et d'une antiparticule, qui sont appelés « virtuel de virtuel ».

L'émission de lumière par la matière est caractérisée ainsi : lorsqu'un de leurs électrons passe d'un état quantique à un autre, les atomes émettent ou absorbent un photon dont l'énergie est exactement égale à la différence d'énergie entre l'état de départ de l'électron et son état d'arrivée. Rajoutons l'effet photoélectrique : la lumière arrache des électrons à la matière.

De la matière peut se transformer en lumière comme dans le choc de deux particules suffisamment accélérées ou de la lumière se matérialiser. Cela montre que l'opposition entre matière et lumière n'a rien de diamétrale.

Par exemple, des photons qui ont une énergie moyenne supérieure à 1 MeV ont donc des énergies suffisantes pour réagir ensemble et former des paires d'électron-positron (anti-électron).

Lochak, Diner et Farge dans « L'objet quantique » :

« Einstein avait émis (en 1905), à partir des travaux de Planck, une hypothèse encore plus paradoxale que la sienne : il supposa que si les atomes absorbent et émettent de l'énergie lumineuse par paquets, par quanta, c'est que ces quanta se trouvent déjà dans la lumière : autrement dit, les ondes lumineuses continues transportent leur énergie sous forme discontinue, concentrée dans des corpuscules de lumière, qu'on appela photons. »

Etienne Klein dans « Sous l'atome, les particules » :
« Un photon de lumière aiguë vient frôler un atome de matière. Fugace télescopage au fin fond du réel. En surgissent deux électrons, un de chaque signe, vifs et rapides comme l'éclair, enfin presque ; ils ralentissent, courbent leur trajectoire, lancent des photons ; s'ils se rencontrent à nouveau, ils fusionnent l'un dans l'autre puis disparaissent en remettant, comme leur dernier soupir, deux furtifs grains de lumière. »

Louis de Broglie :
« Nous saurions beaucoup de choses, si nous savions ce qu'est un rayon lumineux. »
Louis de Broglie dans « La physique nouvelle et les quanta » :
« La découverte et l'étude du phénomène photoélectrique a réservé aux physiciens une très grande surprise. Ce phénomène consiste en ceci qu'un morceau de matière exposé à l'action d'une radiation de longueur d'onde suffisamment courte projette souvent autour de lui des électrons en mouvement rapide. La caractéristique essentielle du phénomène est que l'énergie des électrons expulsés est uniquement fonction de la fréquence de la radiation incidente et ne dépend nullement de son intensité. Seul le nombre des électrons dépend de l'intensité incidente. (..) Mr Einstein a eu, en 1905, l'idée très remarquable que les lois de l'effet photoélectrique indiquent l'existence pour la lumière d'une structure discontinue où les quanta interviennent. (…) Lorsqu'un électron contenu dans la matière recevra un grain de lumière, il pourra absorber l'énergie de ce grain et sortir de la matière où il était enfermé, à condition toutefois que l'énergie du grain de lumière soit supérieur au travail nécessaire à l'électron pour sortir de la matière. L'électron ainsi expulsé par l'action de la lumière possèdera donc une énergie cinétique égale à l'énergie du grain de lumière absorbée diminuée du travail dépensé pour sortir de la matière : cette énergie cinétique sera donc une fonction linéaire de la fréquence de la radiation incidente, le coefficient angulaire de la droite qui la représente étant numériquement égal à la constante de Planck. (…) Telle est l'interprétation des lois de l'effet photoélectrique proposée en 1905 par Einstein. Il l'avait appelée la théorie des quanta de lumière. Aujourd'hui nous l'appelons la théorie des photons, car nous avons donné aux grains de lumière le nom de photons. Depuis trente ans, l'existence du photon a reçu de nombreuses confirmations. (…) L'étude de l'effet photoélectrique des rayons X et gamma a permis de soumettre à une épreuve très rigoureuse l'exactitude de la relation photoélectrique d'Einstein (…) la découverte d'un autre phénomène est venu en 1923 fournir une nouvelle preuve de l'existence du photon. Nous voulons parler de l'effet Compton. On sait que, si une radiation vient frapper un corps matériel, une partie de l'énergie de cette radiation est, en général, éparpillée dans toutes les directions sous forme de radiation diffusée. La théorie électromagnétique interprète cette diffusion en disant que, sous l'influence du champ électrique de l'onde incidente, les électrons contenus dans le corps matériel entrent en vibration forcée et deviennent des sources de petites ondes sphériques secondaires qui diffusent ainsi dans toutes les directions une partie de l'énergie apportée par l'onde primaire. D'après cette interprétation, la vibration diffusée sous l'action d'une onde primaire monochomatique doit avoir très exactement la même fréquence que cette onde primaire. (…) Mais une étude plus précise de la diffusion des rayons X par la matière a permis de constater qu'à côté de la diffusion sans changement de fréquence prévue par la théorie électromagnétique, il se produisait une diffusion avec diminution d e fréquence tout à fait impossible à prévoir par le raisonnement classique. (…) La radiation diffusée a une fréquence variable avec l'angle de diffusion, mais indépendante de la nature du corps. diffuseur. Mr Compton, et presque en même temps Mr Debye, ont eu l'idée que ces lois pouvaient s'interpréter en assimilant la diffusion avec changement de fréquence à un choc entre un photon incident et un électron contenu dans la matière. Au moment du choc, il y a échange d'énergie et de quantité de mouvement entre le photon et l'électron et, comme l'électron peut en général être considéré comme presque immobile en comparaison du photon, c'est toujours le photon qui perd de l'énergie au profit de l'électron. La fréquence du photon étant proportionnelle à son énergie, il y a abaissement de la fréquence au moment du choc. (…) L'effet Compton a apporté à la théorie des photons une éclatante confirmation. (…) On peut encore citer comme confirmation de la conception des photons la découverte de l'effet Raman un peu postérieure à l'effet Compton. (…) Bref, depuis trente ans, l'hypothèse d'après laquelle l'énergie lumineuse présenterait une structure granulaire s'est montrée très féconde et il n'y a pas de doute qu'elle ne nous révèle un aspect essentiel de la réalité physique. (…) Mais comment imaginer l'existence de grains de lumière insécables alors que les expériences d'interférences montrent qu'on peut obtenir des trains d'onde cohérents de plusieurs mètres ? Si l'on suppose l'énergie lumineuse concentrée en grains bien localisés dans l'espace, comment comprendre l'existence même des interférences ? (...) La découverte de l'effet photoélectrique indiquait la nécessité de revenir vers une conception de ce genre (granulaire), mais en même temps, la forme même de la relation d'Einstein montrait qu'il fallait unir la conception granulaire et celle des ondes, de manière que les deux termes de la relation aient un sens physique. Il faut signaler une difficulté plus subtile. Dans les conceptions classiques, l'énergie d'un corpuscule est une grandeur qui a une valeur parfaitement déterminée. Par contre, dans la théorie du rayonnement, on ne peut jamais considérer un rayonnement comme strictement monochromatique : un rayonnement contient toujours des composantes dont les fréquences occupent un petit intervalle spectral, intervalle qui peut être très petit, mais ne peut être rigoureusement nul. C'est un fait sur lequel P. Planck a beaucoup insisté dans ses exposés sur la théorie du rayonnement. Dès lors, la relation d'Einstein qui égale l'énergie du corpuscule de lumière au produit par h de la fréquence de l'onde classique correspondante, a quelque chose de paradoxal puisqu'elle égale une quantité bien définie à une autre qui ne l'est pas. Le développement de la mécanique ondulatoire a montré plus tard quel était le sens véritable de cette difficulté. En résumé, l'hypothèse des photons, merveilleusement adaptée à l'interprétation de l'effet photoélectrique et de l'effet Compton, ne peut pas conduire à une théorie purement corpusculaire des radiations. (…) Un faisceau de lumière nous apparaît comme un flot de photons et une expérience d'interférence ou de diffraction devient à nos yeux une expérience où, par suite du dispositif employé, les photons se retrouvent répartis d'une manière non uniforme dans l'espace, étant concentrés dans les franges brillantes et fuyant les franges obscures. (…) dans ces expériences, les interférences se produisent, même quand les photons arrivent un par un sur le dispositif interférentiel. Force est donc d'admettre, pour expliquer dans ce cas l'obtention finale, après de longues poses, des figures usuelles d'interférences, que l'intensité de l'onde associée à chaque photon représente en chaque point la probabilité pour que le photon se trouve en ce point. Nous sommes ainsi amenés à passer d'un point de vue statistique à un point de vue probabiliste, et le principe des interférences nous apparaît comme un principe réglant les probabilités de localisation des photons. (…) Dans un atome quantifié, il existe une série de fréquences correspondant à des états stationnaires d'énergie quantifiée. Mais, pour un tel système, tout comme pour une corde vibrante, on peut très bien envisager un état quelconque formé par une superposition d'états stationnaires (…) On ne peut plus dire que l'atome est dans un de ses états stationnaires : il est en quelque sorte à la fois dans plusieurs états stationnaires, ce qui est évidemment incompréhensible avec les conceptions classiques. Avec le principe de décomposition spectrale, la difficulté est résolue dans un sens inattendu : l'atome dans l'état envisagé peut avoir l'une quelconque des valeurs quantifiées de l'énergie représentées dans le développement spectral de son onde et cela avec des probabilités proportionnelles aux intensités des composantes spectrales correspondantes. »

En 1905, Einstein fut le premier à proposer que la quantification de l'énergie soit une propriété de la lumière elle-même. Bien qu'il ne remette pas en cause la validité de la théorie de Maxwell, Einstein montre que la loi de Planck et l'effet photoélectrique pourraient être expliqués si l'énergie de l'onde électromagnétique était localisée dans des quanta ponctuels qui se déplaçaient indépendamment les uns des autres, même si l'onde elle-même était étendue continument dans l'espace. Dans son article, Einstein prédit que l'énergie des électrons émis lors de l'effet photoélectrique dépend linéairement de la fréquence de l'onde. Cette prédiction forte sera confirmée expérimentalement par Robert Millikan en 1916, ce qui lui vaudra – parallèlement à ses expériences sur les gouttes chargées – le prix Nobel de 1923. En 1909 et en 1916, Einstein montre que, si la loi de Planck du rayonnement du corps noir est exacte, les quanta d'énergie doivent également transporter une impulsion p = h / λ, ce qui en fait des particules à part entière. L'impulsion du photon a été mise en évidence expérimentalement par Arthur Compton, ce qui lui valut le prix Nobel de 1927.

Quand on parle de photon, on pense souvent à la lumière mais, en physique quantique, l'interaction électromagnétique entre particules matérielles est transmise par des photons. Le photon est donc une particule d'interaction. Pourquoi parler de particule et pas d'onde électromagnétique ? Eh bien, en fait, on parle des deux à la fois. Le photon a une réalité dialectique : à la fois onde et corpuscule. Il l'est plus ou moins suivant son énergie : lorsqu'un photon a beaucoup d'énergie, c'est-à-dire lorsque sa fréquence est très grande, il est pratiquement ponctuel. Sa probabilité de présence est très forte sur une petite région de l'espace et pratiquement nulle ailleurs. Mais lorsque son énergie diminue et que sa fréquence devient très basse, alors il cesse d'être localisable. Lorsqu'il est localisable, c'est un corpuscule et sinon, c'est une onde. En fait, c'est toujours les deux à la fois mais il peut être approximativement l'un ou l'autre dans certaines expériences et à certaines énergies.

Le photon n'est pas un objet fixe mais une dynamique du vide quantique issue des paires électrons-positons, c'est-à-dire de couples matière-antimatière.

On peut penser que le photon ne devrait pas être appelé corpuscule, ce terme étant réservé à la matière. Mais, en fait, le photon peut devenir matériel dans certaines circonstances… Le photon se transforme alors en particules massives.

Si, comme on le croyait, la lumière était une vibration électromagnétique dans l'éther semblable aux ondes sonores vibrant dans un milieu matériel, l'air, la lumière se propagerait avec une vitesse relative par rapport au vide, une vitesse de 300.000kilomètres par seconde. Mais une telle image, celle des ondes sonores par exemple, entraînerait des bizarreries impossibles. Ainsi, on ne pourrait pas regarder l'image de ce photon lumineux en déplacement dans un miroir. Pour aller au miroir, la lumière devrait aller à la même vitesse que le photon et elle ne pourrait pas être réfléchie. On ne peut pas raisonner sur quelque chose se déplaçant à la vitesse de la lumière comme on raisonne sur un objet, sur une chose. Cela rejoint d'ailleurs un peu les leçons que l'on peut tirer de l'expérience de Young : on ne peut pas raisonner sur les corpuscules de matière et de lumière comme s'ils s'agissait d'une chose, unique, précise, toujours identique à elle-même.

Marc Henry :
« Le premier champ qui fut quantifié fut le champ électromagnétique car il existait déjà en physique classique. La théorie quantique du champ électromagnétique remonte au milieu des années 1920 lorsque les fondations de la mécanique quantique furent établies. La théorie de l'électrodynamique quantique fut conçue dès le départ pour rendre compte de la création et de la destruction des photons. Le photon émerge naturellement comme la quantum associé au champ électromagnétique dans le cadre de cette théorie. Par la suite, les physiciens durent inventer d'autres champs, qui sont parfaitement inconnus en physique classique, et qui peuvent être quantifiés pour expliquer l'existence d'autres particules que le photon. Il existe par exemple un champ qui peut créer ou détruire des électrons. »

Ainsi, l'interaction électromagnétique, dite coulombienne, est le produit d'échanges de photons dits virtuels et l'interaction nucléaire suppose également des échanges virtuels. Feynman explique ainsi dans son cours de physique (chapitre Mécanique quantique) que "on a l'habitude de dire qu'il y a échange d'un électron "virtuel" quand l'électron doit sauter à travers une région de l'espace où il y a une énergie négative. Plus précisément, un "échange virtuel" signifie que le phénomène implique une interférence quantique entre un état avec échange et un état sans échange. (...) Yukawa a posé en hypothèse que la force entre deux nucléons est due à un effet d'échange similaire - mais dans ce cas, à l'échange virtuel, non pas d'un électron, mais d'une nouvelle particule qu'il a appelé "méson". Aujourd'hui, nous identifions le méson de Yukawa avec le pion qui se produit dans les collisions à haute énergie de protons ou d'autres particules."

Le photon considéré comme une petite masse m tournant à la vitesse c de la lumière à l'extrémité du rayon : R = c / 2 pi ν

Selon la relativité, la masse en mouvement d'un photon est donnée par la relation d'Einstein-Planck E = hν = mc². On en déduit le moment cinétique angulaire du photon L = m c R = m c / 2 pi ν

Le photon peut donc être modélisé comme un anneau en rotation de masse hν / c2 en accord avec son spin un. "Il faut bien dire que ces images géométriques trop précises ne sont pas appréciées des physiciens modernes".

Une onde lumineuse qui possède une couleur (donc une fréquence de vibration), une polarisation (donc un type de vibration) déterminés et qui, de plus, est cohérente (c'est-à-dire qu'elle possède une phase déterminée et que tous ses points vibrent soit à l'unisson soit avec des écarts de vibration constants), cette onde est porteuse d'un grand nombre de photons qui auront ces mêmes qualités en commun : on dira que ces photons sont cohérents, ou en phase. De plus, l'« esprit grégaire » des bosons fera que, si une telle onde lumineuse tombe sur un atome qui est capable d'émettre un photon de la même couleur que l'onde, celle-ci provoquera l'émission du photon qui viendra se joindre aux autres et augmentera l'intensité de la lumière en maintenant sa cohérence. C'est le phénomène d'émission stimulée de la lumière, découverte par Einstein (en 1916) et dont Louis de Broglie a prédit les propriétés de cohérence (en 1924).

Les corpuscules réels, qu'il s'agisse de photons ou de particules de masse, ne sont justement pas des objets vraiment réels, des « choses ». Ce qui est durable, c'est une structure, un phénomène et ses caractéristiques. Ce n'est pas le même corpuscule qui se contenterait de se déplacer. Le déplacement provient du fait que la propriété (et non un objet) saute d'une particule virtuelle à une autre ou d'un couple virtuel à un autre. Le fait que le phénomène dit « réel » (matière et lumière durables) soit modifié à petite échelle par les interférences du vide explique l'essentiel des étrangetés de la physique quantique.

Pour conclure…

Il n'y a pas si longtemps, les physiciens pouvaient penser que l'idée d'unifier lumière, chaleur, électricité, chimie (l'idée justement de l'électromagnétisme aujourd'hui considérée comme évidente…) était de la métaphysique. L'idée leur semblait bien trop révolutionnaire ! J.J. Thomson, un physicien en vue, écrivait en 1907 :

« Il est une partie des sciences physiques où les problèmes sont très semblables à ceux qui préoccupent les métaphysiciens. Pour certains, cet aspect de la physique est particulièrement excitant. Ils trouvent dans l'Univers physique, avec sa myriade de phénomènes et sa complexité apparente un problème inépuisable et irrésistible tant est grande la fascination qu'il exerce. Leur intelligence est piquée au vif par la diversité et la complexité qu'ils rencontrent autour d'eux et ils sont poussés à rechercher un point de vue où des phénomènes aussi divers que la lumière, la chaleur, l'électricité et l'action chimique, apparaîtraient comme différentes manifestations d'un petit nombre de principes généraux. »

On remarquera que cette affirmation péremptoire n'est pas bien loin… dans le temps… des idées renversantes d'Einstein sur la lumière, la matière.

Maurice Jacob dans « Au cœur de la matière » :

« Planck reçut le prix Nobel en 1918 pour sa découverte des quanta et Einstein le reçut en 1921 pour sa découverte de l'effet photoélectrique (une des plus brillantes démonstration expérimentale du comportement corpusculaire de la lumière ou photon – M et R).

La lumière dont toute l'optique du XIXe siècle avait confirmé le caractère ondulatoire, se trouvait avoir aussi une structure corpusculaire. Une onde est par essence étalée dans l'espace sur des dimensions macroscopiques. Et pourtant ses quanta, quand ils se manifestent, vont aller déloger des électrons localisés dans des dimensions atomiques.

Retenons ceci : les interactions électromagnétiques entre particules correspondent à des échanges de quanta donc à l'émission ou à l'absorption d'autres particules, un quantum d'énergie (par exemple, un photon, note M et R) se comportant en fait par bien des aspects comme une particule.

(…)

Prenons un électron qui, profitant des possibilités offertes par une fluctuation d'énergie, va émettre un photon. Il faut pour cela une certaine énergie mais nous savons qu'elle peut être disponible pour un temps assez court. L'électron émet un photon au temps t1 et en réabsorbe un au temps t2, le temps t2 étant alors dans le futur de t1… Il faudrait pour cela que l'électron puisse aussi avoir parfois une énergie négative mais c'est à exclure… C'est comme si l'on pouvait dépasser la vitesse de la lumière avec cette fluctuation quantique… L'électron émet un photon au moment t1 pour remonter le cours du temps et aller absorber un photon au moment t2 antérieur à t1… On dira qu'au temps t2, un photon a été absorbé en formant une paire électron-positron (un électron et son antiparticule). Le positron a suivi normalement le cours du temps, comme l'électron, pour aller annihiler l'électron initial au temps t1, naturellement plus tard, en produisant un photon au cours de l'annihilation. »

Marceau Felden dans « Sur la vitesse de la lumière » (ouvrage collectif « Dictionnaire de l'ignorance ») :

« L'universalité de la vitesse de la lumière dans le vide (généralement notée c), implique, par les lois de la physique qui s'en déduisent, que c'est aussi une « vitesse limite », celle de la propagation de l'énergie… L'étude de la vitesse de propagation de la lumière dans le vide, effectuée dans différents référentiels galiléens quelconques mais nécessairement locaux, conduit à une valeur numérique constante c = 299 792 458 mètres par seconde. Cette invariance résulte de la variation concomitante des étalons de longueur et de temps, ne faisant finalement que traduire la symétrie des observateurs. Et rien de plus puisque, par essence même, il n'est pas possible de mesurer quoique ce soit d'absolu dans quelques référentiels galiléens que ce soit… On ne connaît donc actuellement aucun argument expérimental déterminant qui imposerait irrémédiablement l'invariance de la vitesse de la lumière dans un vide stellaire exempt d'effets gravitationnels, et ceci quelles que puissent être les distances parcourues, les fréquences et les puissances mises en jeu. »

Maurice Jacob, dans « Au cœur de la matière » :

« L'interaction électromagnétique correspond à l'échange de photons qui se couplent aux particules chargées en fonction de la charge électrique, quelle que soit celle qui la porte… Prenons un électron absorbant un photon. Nous sommes déjà assez familiers avec les mécanismes quantiques pour savoir que le vide est animé par la création continuelle et la disparition rapide de paires électron-positron. Ce sont des paires virtuelles mais cela va compliquer notre processus d'absorption qui ne demande qu'un temps très bref durant lequel ces paires virtuelles ont bien le temps de se manifester. L'électron, de charge négative, va ainsi attirer les positrons de ces paires virtuelles en repoussant leurs électrons. « Approchant » de l'électron, le photon va ainsi le « voir » entouré d'un « nuage » de charge positive dû aux positrons virtuels attirés… C'est une version quantique de l'effet d'écran…
Revenons à notre électron absorbant un photon tout en s'entourant d'un nuage virtuel contenant plus de positrons que d'électrons… Il se trouve que, dans le calcul quantique, l'effet principal peut être conçu comme la transformation du photon en une paire électron-positron, qu'il réabsorbe avant l'interaction. C'est le terme dominant de l'effet d'écran. »

La suite

Comment un photon peut devenir massif

Lire encore sur la lumière

Lire sur l'électromagnétisme

Lire encore sur la physique quantique

Quelle relation entre matière et lumière ?

Robert Paris — 2015-07-31T23:52:00Z

Quelle relation entre matière et lumière ?

L'interaction lumière/matière est essentielle au sein de la physique, que ce soit dans notre perception de la matière au quotidien que pour ce qui concerne des phénomènes physiques plus complexes, notamment en microphysique. Elle est étonnante et contradictoire et mérite réflexion.

Rappelons que c'est l'étude de l'interaction matière/lumière par Planck et Einstein qui a entraîné une révolution de la physique, celle des quanta.

On se souvient que de la matière chauffée émet de la lumière en perdant ainsi de l'énergie thermique absorbée, que de la matière accélérée en émet aussi (ainsi que la matière qui décélère brutalement) car c'est ainsi qu'elle perd de l'énergie, que la matière absorbe la lumière puis en réémet (émission spontanée) en particulier elle en réémet quand elle en a absorbé (émission stimulée), que la radioactivité, provenant d'une instabilité de la matière, amène à l'émission de rayonnement (particules alpha), que l'essentiel de la lumière provient de la matière des étoiles. L'émission de lumière par la matière est caractérisée ainsi : lorsqu'un de leurs électrons passe d'un état quantique à un autre, les atomes émettent ou absorbent un photon dont l'énergie est exactement égale à la différence d'énergie entre l'état de départ de l'électron et son état d'arrivée. Rajoutons l'effet photoélectrique : la lumière arrache des électrons à la matière.

Lumière et matière ont des propriétés communes et des propriétés dissemblables. D'où cela provient-il et qu'ont-ils en commun ? Comment de la lumière peut-elle s'extraire de la matière ou y entrer ? Comment la matière peut-elle perdre de la masse ou de l'énergie qu'elle transforme en lumière ? Qu'échange-t-on entre matières en échangeant de la lumière et qu'échange-t-on entre matière et lumière ?

Déjà, il convient de rappeler que lumière et matière sont tous deux quantiques, qu'ils se comportent comme des paquets de grains, les quanta, contenant tous la même quantité d'un paramètre physique appelé « l'action » et qu'ils sont quantiques au sens qu'ils sont probabilistes et fondés sur la dualité onde/corpuscule.

Les physiciens Georges Lochak, Simon Diner et Daniel Fargue retracent ainsi dans « L'objet quantique » ce changement radical de conception de la matière et de la lumière : « L'hypothèse des quanta voulait dire cette chose étrange que le mouvement des atomes n'évolue pas continûment mais par bonds discontinus : comme si une fusée ne pouvait s'élever progressivement au dessus de la Terre vers n'importe quelle orbite et ne pouvait atteindre que certaines orbites particulières en sautant brusquement de l'une à l'autre. (...) Einstein avait émis en 1905, à, partir des travaux de Planck, une hypothèse encore plus paradoxale que la sienne : il suppose que si les atomes absorbent et émettent l'énergie lumineuse par paquets, par quanta, c'est que ces quanta se trouvent déjà dans la lumière autrement dit les ondes lumineuses continues transportent leur énergie sous forme discontinue, concentrée dans des corpuscules de lumière, qu'on appelle photons. »

Ce qu'ils ont en commun, c'est leur origine provenant du vide quantique. Ils apparaissent dans le vide, en émanent, y retournent.

Que trouvent-ils dans le vide quantique ? Eh bien de la lumière et de la matière aussi mais éphémère, et dite pour cela virtuelle car elle n'est pas directement perceptible à notre échelle (dite macroscopique).

Il faut également remarquer la tendance de la lumière à s'agglomérer (statistique de Bose) qui l'amène à être nommée bosons et la tendance de la matière de ne pas le faire (statistique de Fermi) qui l'amène à être appelée fermions. La tendance de la matière à ne pas s'agglomérer permet la stabilité de celle-ci et empêche la matière de se dissocier complètement ou de se concentrer complètement. Au contraire, la lumière se comporte en paquets de grains (photons).

On doit également remarquer que matière comme lumière sont des processus dialectiques qui sont des opposés dialectiques l'un de l'autre. Mais, en tant que tels, ils peuvent aussi se transformer l'un dans l'autre, ce que ne font jamais les opposés diamétraux…

Par exemple, des photons qui ont une énergie moyenne supérieure à 1 MeV ont donc des énergies suffisantes pour réagir ensemble et former des paires d'électron-positron (anti-électron).

D'autre part, il faut souligner que les seules interactions matière/matière se font au travers de la lumière (bosons d'interaction). La matière ne perçoit une autre matière qu'au travers de ces bosons donc de lumière. Par exemple, deux particules électriquement chargée interagissent (force électromagnétique) au travers de bosons lumineux.

Tout cela peut sembler des processus physiques très complexes comme la physique nucléaire ou la physique de l'électron et plus encore celle de l'atome et du noyau de celui-ci.

En fait, la réflexion sur l'interaction matière/lumière est posée dès l'étude de phénomènes aussi simples que la réfraction et la réflexion de la lumière à la traversée d'un changement de milieu matériel (modification d'indice lumineux).

En effet, un tel phénomène très simple et très courant pose très profondément l'ensemble des problèmes du caractère complexe et contradictoire dialectiquement du couple matière/lumière.

A la transition entre les deux milieux, une partie de la lumière est réfléchie (elle reste dans le premier milieu) et l'autre est réfractée (elle passe dans le deuxième milieu). Comme en physique quantique, c'est un phénomène probabiliste et on ne peut pas dire ce que chaque photon individuel va faire… Une partie de la lumière est renvoyée par effet miroir de la transition et le reste traverse le miroir. Lire la suite

Extrait de "Lumière et matière " de Richard P. Feynman :

"Commençons par observer les résultats d'une expérience de réflexion partielle. Si l'on envoie de la lumière monochromatique perpendiculairement à la surface d'un verre, 4% de celle- ci est réfléchie et 96% traverse la surface du verre. Phénomène curieux qui ennuyait déja Newton (qui considérait que la lumière était composée de particules). Comment les photons "décident"-t-ils d'aller en A ou en B ? " L'expérience devient encore plus étrange si on observe la réflexion sur les deux lames strictement parallèles d'une lame très mince..."

Quand la particule (ou l'atome) émet du rayonnement électromagnétique, d'où vient le photon (grain de lumière) dans la matière, à quel endroit pouvait-elle être stockée dans la particule ou l'atome et dans quel lieu peut-elle être stockée quand la lumière est absorbée par la matière ?

Quand la lumière est réfractée ou réfléchie, comment sait-elle si elle doit être l'un ou l'autre et quel niveau interne à la lumière rétroagit avec celle-ci pour lui indiquer le passage d'un milieu à un autre, d'un indice lumineux à un autre ?

Quels sont les mécanismes de la matière permettant ce type de phénomène ou encore l'émission de particules alpha de rayonnement lumineux dans le cas de la radioactivité naturelle ?

L'explication de ces phénomènes étranges ne s'est pas révélée possible si on considère la particule comme un élément unique, indépendant du milieu (le vide). En effet, elle réside dans le fait que le photon qui va quitter une particule (ou n'importe quelle matière) existait préalablement à proximité de celle-ci, dans une zone appelée le nuage de polarisation de la particule, c'est-à-dire une zone du vide quantique qui est polarisée par la présence de la particule. Dans cette zone les couples de particules et d'antiparticules peuvent être individualisés et s'accoupler avec d'autres particules. Toutes les particules qui existent à l'état réel sont aussi potentielles dans le vide quantique et on les appelle virtuelles. Lorsqu'elles forment des couples virtuels de particule et antiparticule, elles peuvent devenir des photons. Les deux états (réel et virtuel) ne sont pas dans une opposition diamétrale mais se transforment l'une dans l'autre. Si un photon communique son énergie à une particule, il disparaît parce qu'il devient virtuel. Si un photon virtuel reçoit de l'énergie de la particule, il devient réel et donc observable. Par exemple quand un électron atomique saute d'une orbite à une autre, il rend de l'énergie qui permet à un photon de devenir réel.

Tous les phénomènes étranges de la physique quantique sont ainsi interprétables par des phénomènes liés au vide quantique. La particule, objet élémentaire, est remplacée alors par un nuage de particules et d'antiparticules ainsi que de photons qui échangent sans cesse entre eux la propriété de masse matérielle et réelle.

Lumière et matière, des lois issues du vide

Matière et lumière dans le vide

Quel lien entre espace, temps, matière, lumière et vide quantique ?

La matière/lumière/vide : dialectique du positif et du négatif

Que savons-nous de la matière ?

Que savons-nous sur la lumière ?

Le caractère corpusculaire de la lumière
Lumière quantique

Qu'est-ce que le vide ?

Qu'est-ce qu'un photon lumineux (encore appelé boson) ?

Une expérience qui montre le caractère dualiste de la matière-lumière

Le vide n'est pas vide du tout

Quelle est la structure de la matière, de la lumière et du vide

La matière, émergence de structure au sein du vide

La matière, structure dynamique issue de l'agitation

Le caractère dialectique (contradictoire) des quanta de lumière et de matière

Le vide destructeur/constructeur de la matière

Qu'est-ce que les quanta de matière ou de lumière ?

Pourquoi les étoiles émettent-elles de la lumière et de l'énergie ?

Pourquoi matière et lumière sont à la fois des ondes et des corpuscules ?

Qu'est-ce que la physique quantique ?

Sur la radioactivité naturelle

Générer de la matière et de l'antimatière à partir du vide

Pour aller plus loin sur matière et lumière…

Et aussi

Film sur les ondes de matière

Film sur les principaux phénomènes lumineux

Film sur atome et lumière
Film sur réfraction et réflexion de la lumière

Film sur une autre interaction matière/lumière : le refroidissement d'atomes par des faisceaux laser

Film sur la physique quantique

Film : les conférences de Richard Feynman

Film : Lumière et matière, la physique quantique en action

Film : Quand l'électron émet des photons

06- La matière/lumière/vide : dialectique du positif et du négatif

Robert Paris — 2011-09-03T14:10:00Z

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« Toutes les choses, nous-mêmes y compris, sont faites de parties positives et négatives étroitement liées dans une interaction puissante, et toutes finement équilibrées. »
Le physicien Richard Feynman
dans « Leçons de physique »

« L'union des opposés
Voici les équations découvertes par Einstein. (...) Quand on analyse celles-ci, on constate une propriété absolument extraordinaire, ou plutôt deux propriétés qui semblent contraires, comme si deux opposés étaient contenus dans une même pochette-surprise.(...) Les lois telles qu'on les connaît à présent ne se réduisent pas à des mécanismes, elles enserrent les phénomènes au point de concilier, de dépasser des oppositions apparentes (...) Je vous accorde que c'est profondément douloureux et profondément troublant. »
Les physiciens Georges Charpak et Roland Omnès
Dans « Soyez savants, devenez prophètes »

Tout le monde sait que l'univers est polarisé électriquement. C'est ce que l'on appelle la charge. Il y a des particules positives (par exemple, le proton) et des particules négatives (par exemple l'électron) et elles constituent des dipôles électriques qui se comportent comme de petits aimants (c'est-à-dire provoquent une orientation de tous les aimants à proximité). Les aimants sont plus stables que les particules électrisées ce qui fait que le couple de deux particules d'électricité opposée peut se maintenir un certain temps malgré les interactions et les chocs.

A l'inverse, on avait depuis longtemps remarqué l'absence de mono-pôles magnétiques dans la nature et, du coup, on était étonnés de constater les particules possédant une charge électrique se maintenir. Comment s'expliquait cette apparente stabilité des particules électrisées. De même, les interactions entre particules, ou entre particule et rayonnement, rendaient apparemment impossible toute description par des objets. C'est le constat sur lequel est restée très longtemps bloquée la physique quantique, se contentant d'affirmer qu'il ne faut pas rechercher une description du réel mais seulement un calcul de probabilités. Il ne s'agissait donc plus seulement d'une physique probabiliste à la Boltzmann où les lois découlent du grand nombre d'objets concernés mais du renoncement à toute description des phénomènes observés par des interactions entre objets.

Tout d'abord, il faut constater que ce qui permet au vide d'être agité c'est qu'il existe un niveau d'énergie inférieur à l'énergie zéro du monde matériel, ce qui permet des fluctuations, au dessus comme au dessous de zéro. Ces fluctuations sont momentanées. Ils obéissent en effet à l'inégalité d'Heisenberg qui permet à une fluctuation d'énergie d'apparaître à un niveau d'autant plus important que sa durée de vie est plus courte. Il s'agit donc de pointes d'énergies assimilables à des particules ou à du rayonnement mais éphémères. On les appelle particules ou photons « virtuels » même s'il est de plus en plus évident que, peu durables, ils n'en sont pas moins réels. Donc, il y a deux sortes d' « objets » : un grain positif et un grain négatif. Entre les deux il ne peut y avoir plus d'un quanta (h/pi). Cela signifie que le produit, pour un grain, de l'énergie du grain et de sa durée de vie est exactement la quantité de Planck : h/2pi ou – h/2pi. On parle là de particules et d'antiparticules virtuelles. L'inégalité d'Heisenberg n'est donc pas un incertitude sur la réalité des choses ni un indéterminisme du réel. Elle est dû à la nature du vide, fondée sur des couples particule/antiparticule instables, se combinant sans cesse en unité (petits aimants) et se défaisant aussi sans cesse. Ces éphémères (terme qui s'oppose à durable et que je préfère à virtuel qui, lui, s'oppose à réel).obéissent aux mêmes lois exposées précédemment sur les couples de particules d'électricité opposées et à la constitution de dipôles. Par conséquent, on constate que le vide est parcouru de particules et d'anti-particules (de charge opposées aux particules) qui ont tendance à se coupler pour constituer d'éphémères aimants.

Le phénomène physique fondamental a donc lieu dans le vide quantique. Ce que l'on appelle « les fluctuations du vide », c'est l'apparition et la disparition de couples particule et antiparticule dites « virtuelles » parce qu'elles ont une durée de vide extrêmement courtes. Ce sont des cycles dans lesquels le couple de particule/antiparticule se transforme en énergie. L'ordre se transforme en désordre et le désordre en ordre. Ce phénomène se déroule en temps très court mais non nul. Ce qui se conserve dans ce cycle, c'est le produit énergie fois temps, une quantité que l'on appelle l'action. L'énergie produite est d'autant plus grande que le temps de son existence est court. Comment ce vide agité produit-il l'ordre de la matière ? Nous connaissons un monde où semblent exister des particules stables. Un électron, qui se déplace et interagit, este un électron. Par contre, la physique quantique a montré qu'il n'est pas possible de le décrire comme un objet localisé de l'espace-temps comme nous le faisons à notre échelle macroscopique. C'est l'étude du vide quantique (un désordre) qui donne la clef de la compréhension de la conservation des structures particulaires (électron, proton, etc…) : l'ordre matériel. Le phénomène à la base est du type cycle ordre-désordre. Lorsque le niveau d'énergie des couples matière/antimatière par unité de volume a baissé (expansion de l'univers), les interactions matière/antimatière ont permis que certaines particules subsistent un peu plus que le temps de Planck, seuil à partir duquel un ordre structurel a pu subsister. Il est fondé sur le phénomène suivant : une particule matérielle M se déplace dans le vide ; elle s'approche d'un couple particule P+ /antiparticule P- ; le couple P+ /:P- s'oriente par la répulsion des deux particules M et P+ (électricités de même signe) ; la particule M se couple avec P- et libère P+. Le couple M/P- se transforme en énergie. Bilan : la particule M s'est transformée dans la particule P-, exactement du même type. La nouvelle particule n'a pas eu le temps de s'éloigner beaucoup car la transformation se réalise dans un temps très court. Du coup, il y a saut mais il y a toujours une particule dans une zone limitée de petite taille. Apparemment, il n'y a rien de changé, mais en fait ce n'est pas la même particule. Il y a eu un saut, à la fois dans la position et dans l'identité de la particule. Nous verrons plus tard que cette image permet de décrire l'ensemble du phénomène quantique et notamment les sauts d'état et le fait que le phénomène est à la fois particule et onde, localisé et généralisé, corpuscule et nuage. Le nuage est en effet constitué des couples particules/antiparticules du vide (polarisation) qui sont orientés en cascade par l'électricité de la particule. Remarquons simplement à ce stade que l'on a ainsi de multiples cycles ordre-désordre. On le montrera également dans les interactions matière/lumière puisque la lumière se décompose en couples particule/antiparticule. L'absorption ou l'émission d'un photon sont similaires au phénomène (matière/vide) dont nous avons décrit précédemment les étapes. A chaque fois qu'un couple particule/antiparticule se transforme en énergie, un ordre se transforme en désordre, des objets localisés se transforment en agitation non-localisée et se propageant dans l'espace (c'est-à-dire se propageant aux autres couples éphémères particules/antiparticules).

La contradiction particule/antiparticule qui est à la base de l'édifice matière/vide/énergie est un contradiction dans laquelle les contraires ne s'éliminent jamais définitivement, dans laquelle les opposés se composent, s'interpénètrent, se produisent mutuellement. En somme, la contradiction fondamentale de la matière et du vide est dialectique .

La physique accorde donc un rôle fondamental au vide plutôt qu'à des particules élémentaires. Les éléments de base sont devenus ce que l'on appelle les particules, les antiparticules et les photons du vide, encore appelés corpuscules virtuels. Ils ont été appelés ainsi car ils ne sont pas perceptibles à notre échelle, étant trop fugitifs. A ce propos, le physicien quantique Jean-Marc Lévy-Leblond en affirmant dans « Aux contraires » : « Il est convenu dans le jargon professionnel courant d'y parler de quantons « virtuels » opposés, bien entendu, aux quantons réels. Nous allons être conduits à révoquer en doute cette opposition. » C'est à propos des éléments du vide et de ceux de la matière/lumière que Jean-Marc Lévy-Leblond parle de « dialectique du réel et du fictif ». Si la matière seule peut constituer l'espace-temps permettant aux particules virtuelles d'apparaître pour nous, la matière/lumière est produite par ces éléments virtuels. Le virtuel produit sans cesse du réel et le réel du virtuel suivant les mécanismes absorption/émission de photon et création/annihilation de matière dans le vide, qui sont les deux principaux mécanismes fondamentaux de la physique.

Comme l'écrivent Edgard Gunzig et Isabelle Stengers à propos de la physique quantique des interactions fondées sur l'habillage des particules par des particules « virtuelles » : « Une telle situation ferait peut-être les délices d'un philosophe dialecticien puisque l'interaction est définie à partir d'acteurs libres, alors même qu'elle est à la négation de cette liberté. » Toute apparente stabilité de l'équilibre global ou toute loi de conservation n'est rien d'autre qu'un voile posé sur des oppositions irrémédiables. Le couple particule/antiparticule est la négation du photon et le photon est lui-même la négation du couple particule/antiparticule. Il ne s'agit pas d'une négation logique puisque sans cesse le photon se décompose et se recompose en couple particule/antiparticule éphémère. L'apparente stabilité du photon n'est rien d'autre que le cycle matérialisation/dématérialisation du photon (dont le rythme fixe sa fréquence). Le corpuscule le plus « simple », celui de lumière n'est donc rien d'autre que la fameuse « négation de la négation ».

Le réel est une négation du virtuel et inversement. La matière est la négation du vide et inversement. La charge négative est la négation de la charge positive mais ensemble elles donnent une nouvelle entité, le photon capable de se décomposer à nouveau en contraires, particule et antiparticule. C'est ce processus qui permet à la particule de matière d'avoir une existence apparemment sans rupture à condition de ne pas chercher à la positionner avec précision. Comme on l'exposera plus tard, la particule apparaît être durable parce qu'elle migre de particules virtuelles en particules virtuelles au sein de son nuage de polarisation. La conservation de la matière est donc une négation de la négation comme le remarque Michel Cazenave dans « Le vide », ouvrage collectif dirigé par Edgard Gunzig et Isabelle Stengers : « Nous avons fait ressortir (...) ce caractère du vide en tant que conjonction des opposés. (...) Conjonction des opposés qui ne trouve son vrai sens que dans la mesure, néanmoins, où elle correspond au plus près à une dialectique des modes d'être. (...). C'est la négation du principe d'identité. (...) Proclus : ''Je définis au sujet du mode des négations qu'elles ne sont pas privatives de ce sur quoi elles portent, mais productives de ce qui est'' (...) et tout au terme de la course , c'est la négation de la négation elle-même. (...) Si l'on accepte de suivre cette pensée dialectique dans sa rigueur tout interne, on s'aperçoit en même temps comment tombent les objections qu'on oppose à ce modèle. (...) Ce que nous voulions montrer, c'est qu'il existe une logique de la pensée du vide »

Les contradictions du vide diélectrique produisent les contradictions des particules de matière et de lumière qui produisent elles-mêmes les contradictions de la matière à notre échelle (macroscopique) entre l'ordre et le désordre et qui ont produit le vivant et l'homme. C'est un cheminement fantastique qui se déroule sans cesse à la frontière fractale de l'ordre et du désordre et qui concerne non les individus mais les grands groupes d'interactions entre ces individus.

L'action est négation de la négation de la stabilité de structure. La négation de la particule virtuelle est l'antiparticule virtuelle (elles s'annulent mutuellement pour donner du rayonnement virtuel). La négation du couple particule/antiparticule virtuels est le photon lumineux (réel). La négation du couple photon et nuage engendré par le couple particule/antiparticule est la particule « réelle » qui l'absorbe. La négation de la particule réelle est l'antiparticule réelle… etc La négation n'est pas un opposé logique. C'est un processus dynamique par lequel le photon ou la particule sont détruits puis reconstruits, niés puis reconstitués par « négation de la négation » que sont l'apparition et la disparition du photon transformé en couple particule/antiparticule ou encore les cycles matérialisation/dématérialisation des particules par interaction avec ces couples virtuels du vide. Ces rétroactions permanentes et en cascade ont lieu et s'organisent spontanément en constituant des structures. Chaque niveau produit un niveau supérieur d'organisation.

Atome : rétroaction de la matière/lumière et du vide (de la microphysique à l'astrophysique)

* 01- Les contradictions des quanta

* 02- La matière, émergence de structure au sein du vide

* 03- Matière et lumière dans le vide

* 04- Le vide, … pas si vide

* 05- Le vide destructeur/constructeur de la matière

* 06- La matière/lumière/vide : dialectique du positif et du négatif

* 07- La construction de l'espace-temps par la matière/lumière

* 08- Lumière et matière, des lois issues du vide

* 09- Matière noire, énergie noire : le chaînon manquant ?

* 10- Les bulles de vide et la matière

* 11- Où en est l'unification quantique/relativité

* 12- La symétrie brisée

* 13- Qu'est-ce que la rupture spontanée de symétrie ?

* 14- De l'astrophysique à la microphysique, ou la rétroaction d'échelle

* 15- Qu'est-ce que la gravitation ?

* 16- Big Bang ou pas Big Bang ?

* 17- Qu'est-ce que la relativité d'Einstein ?

* 18- Qu'est-ce que l'atome ?

* 19- Qu'est-ce que l'antimatière ?

* 20- Qu'est-ce que le vide ?

* 21- Qu'est-ce que le spin d'une particule ?

* 22- Qu'est-ce que l'irréversibilité ?

http://www.matierevolution.fr/spip.php?article568'>* 23- Qu'est-ce que la dualité onde-corpuscule

* 26- Le quanta ou la mort programmée du continu en physique

* 25- Lumière quantique

* 26- La discontinuité de la lumière

* 27- Qu'est-ce que la vitesse de la lumière c et est-elle indépassable ?

* 28- Les discontinuités révolutionnaires de la matière

* 30- Qu'est-ce qu'un système dynamique ?

* 31- Qu'est-ce qu'une transition de phase ?

* 32- Quelques notions de physique moderne

* 33- Qu'est-ce que le temps ?

* 34- Henri Poincaré et le temps

* 35- La physique de l'état granulaire

* 36- Aujourd'hui, qu'est-ce que la matière ?

* 37- Qu'est-ce que la rupture de symétrie (ou brisure spontanée de symétrie) ?

* 38- Des structures émergentes au lieu d'objets fixes

* 39- Conclusions provisoires sur la structure de la matière

* 40- L'idée du non-linéaire

La discontinuité de la lumière

Robert Paris — 2009-11-06T08:52:48Z

Lorsqu'on observe l'arc en ciel, on croit à la continuité du spectre des fréquences lumineuses qui correspondent aux couleurs. Cependant cette apparente continuité est une somme de bandes discontinues correspondant aux fréquences d'émission et d'absorption des corps comme le montre le tableau suivant :

Le spectre solaire contient ainsi des bandes noires qui séparent les bandes colorées. Il y a des fréquences pour lesquelles aucun corps n'émet ni n'absorbe de lumière.

Discontinuités du spectre du Soleil à haute résolution entre 400 et 700 nm, obtenu avec le spectrographe du télescope MacMath de l'observatoire Kitt Peak en Arizona.

Le spectre de la lumière solaire

D'une manière plus générale, la discontinuité de la lumière s'est révélée bien plus fondamentale puisque celle-ci (ainsi que toutes les formes de transmission d'énergie d'interaction) est quantifiée et donc discrète et discontinue. Le quanta de lumière est appelé photon. Mais il existe aussi des quanta d'autres interactions, qui sont le méson ou le gluon.

Trinh Xuan Thuan explique dans "Les voies de la lumière" :

"La discontinuité de la lumière solaire

"Les atomes de gaz du Soleil (ou de toute autre étoile) émettent de la lumière à des énergies très précises qui produisent des raies lumineuses dans son spectre. le spectre d'une étoile s'obtient en décomposant sa lumière à l'aide d'un prisme en ses différentes composantes d'énergie ou de couleur. Quand la lumière est ainsi décomposée, elle semble à première vue présenter un spectre continu. Mais un examen plus fouillé avec un spectroscope révèle que le spectre de la lumière solaire n'est nullement continu, mais haché par des centaines de raies verticales. le physicien allemand Joseph von Fraunhofer (1787-1826), inventeur du spectroscope, en catalogua plus de six cents ! Le physicien danois Niels Bohr nous a expliqué en 1913 que cette discontinuité de la lumière est liée à la discontinuité de la matière. En effet, dans le modèle atomique de Bohr, les électrons au sein d'un atome ne peuvent aller où bon leur semble, mais sont dans l'obligation d'évoluer dans des orbites bien définies, à des distances bien précises du noyau. Un grain de lumière est émis chaque fois qu'un électron accomplit un saut quantique d'une orbite éloignée à une orbite plus rapprochée du noyau. L'énergie du grain est très exactement égale à la différence entre l'énergie de l'orbite de départ et celle de l'orbite d'arrivée. La disposition des raies lumineuses dans le spectre reflète donc fidèlement l'arrangement des orbites des électrons au sein de l'atome. Cet arrangement est unique pour chaque atome. Il constitue une sorte d'empreinte digitale, de carte d'identité de l'élément chimique. (...) Ce sont ces spectres qui nous ont révélé la composition chimique des étoiles, des galaxies et de l'univers tout entier.

"Une infinité de chemins

"Le chemin du photon de lumière peut sembler continu et en ligne droite à l'image du rayon lumineux. (...) Mais, comme le dit Feynman : "En réalité, la lumière ne se propage pas seulement en ligne droite. Elle "sent" et emprunte aussi les trajets aux alentours de la ligne droite, occupant ainsi un très petit volume d'espace avoisinant."

Matière et lumière évoluent dans un vide qui n'est pas vide et qui est constitué des mêmes particules et antiparticules que la matière mais ayant une durée de vie très brève, encore appelées virtuelles. Ce sont elles qui entourent les particules et antiparticules durables, dites réelles. La lumière, le photon, est constituée d'un électron virtuel et d'un antiélectron (positon) virtuel collés. Ils s'échangent avec les autres particules virtuelles du vide. C'est la base de tous les phénomènes quantiques de la lumière (propriétés magnétiques de la lumière, polarisation de la lumière, interactions avec la matière, caractère discontinu du spectre, fentes de Young, caractère statistique de la physique).

Matière et lumière dans le vide

Sur la discontinuité de … la lumière

La lumière, et partant les forces d'interaction, ont longtemps été considérées comme continues, alors même que la matière était déjà considérée comme discontinue, atomique. C'est la physique quantique qui a montré que la lumière n'était pas moins discontinue que la matière. Les interférences, qui semblaient l'expérience la plus démonstrative du caractère ondulatoire et donc continu de la lumière. L'expérience des fentes de Young (une émission peut passer dans l'un des deux trous et on constate des franges d'interférence - alternativement claire et sombre) semblait trancher dans le sens ondulatoire. Cela a été le contraire puisque les particules de lumière, les photons, peuvent être envoyés un par un et captés un par un sur l'écran. Cependant, même si l'émission est réalisée ainsi, photon par photon, sur l'écran les figures d'interférence se réalisent progressivement à partir d'un très grand nombre de photons émis. Cela a complètement cassé l'image des interférences conçues comme un produit de la continuité des ondes. Et ce n'était pas fini : l'expérience de l'effet photoélectrique (un photon suffisamment énergétique arrache des électrons de la matière) a montré le caractère discontinu de la lumière, entraînant la physique quantique vers un renoncement à la continuité aussi bien pour la lumière que pour la matière.

Louis de Broglie dans « La physique nouvelle et les quanta » :

« L'effet photoélectrique et la structure discontinue de la lumière

La découverte et l'étude du phénomène photoélectrique a réservé aux physiciens une très grande surprise. Ce phénomène consiste en ceci qu'un morceau de matière exposé à l'action d'une radiation de longueur d'onde suffisamment courte projette souvent autour de lui des électrons en mouvement rapide. La caractéristique essentielle du phénomène est que l'énergie des électrons expulsés est uniquement fonction de la fréquence de la radiation incidente et ne dépend nullement de son intensité. Seul le nombre des électrons dépend de l'intensité incidente. (..) Mr Einstein a eu, en 1905, l'idée très remarquable que les lois de l'effet photoélectrique indiquent l'existence pour la lumière d'une structure discontinue où les quanta interviennent. (…) Lorsqu'un électron contenu dans la matière recevra un grain de lumière, il pourra absorber l'énergie de ce grain et sortir de la matière où il était enfermé, à condition toutefois que l'énergie du grain de lumière soit supérieur au travail nécessaire à l'électron pour sortir de la matière. L'électron ainsi expulsé par l'action de la lumière possèdera donc une énergie cinétique égale à l'énergie du grain de lumière absorbée diminuée du travail dépensé pour sortir de la matière : cette énergie cinétique sera donc une fonction linéaire de la fréquence de la radiation incidente, le coefficient angulaire de la droite qui la représente étant numériquement égal à la constante de Planck. (…) Telle est l'interprétation des lois de l'effet photoélectrique proposée en 1905 par Einstein. Il l'avait appelée la théorie des quanta de lumière. Aujourd'hui nous l'appelons la théorie des photons, car nous avons donné aux grains de lumière le nom de photons. Depuis trente ans, l'existence du photon a reçu de nombreuses confirmations. (…) L'étude de l'effet photoélectrique des rayons X et gamma a permis de soumettre à une épreuve très rigoureuse l'exactitude de la relation photoélectrique d'Einstein (…) la découverte d'un autre phénomène est venu en 1923 fournir une nouvelle preuve de l'existence du photon. Nous voulons parler de l'effet Compton. On sait que, si une radiation vient frapper un corps matériel, une partie de l'énergie de cette radiation est, en général, éparpillée dans toutes les directions sous forme de radiation diffusée. La théorie électromagnétique interprète cette diffusion en disant que, sous l'influence du champ électrique de l'onde incidente, les électrons contenus dans le corps matériel entrent en vibration forcée et deviennent des sources de petites ondes sphériques secondaires qui diffusent ainsi dans toutes les directions une partie de l'énergie apportée par l'onde primaire. D'après cette interprétation, la vibration diffusée sous l'action d'une onde primaire monochomatique doit avoir très exactement la même fréquence que cette onde primaire. (…) Mais une étude plus précise de la diffusion des rayons X par la matière a permis de constater qu'à côté de la diffusion sans changement de fréquence prévue par la théorie électromagnétique, il se produisait une diffusion avec diminution d e fréquence tout à fait impossible à prévoir par le raisonnement classique. (…) La radiation diffusée a une fréquence variable avec l'angle de diffusion, mais indépendante de la nature du corps. diffuseur. Mr Compton, et presque en même temps Mr Debye, ont eu l'idée que ces lois pouvaient s'interpréter en assimilant la diffusion avec changement de fréquence à un choc entre un photon incident et un électron contenu dans la matière. Au moment du choc, il y a échange d'énergie et de quantité de mouvement entre le photon et l'électron et, comme l'électron peut en général être considéré comme presque immobile en comparaison du photon, c'est toujours le photon qui perd de l'énergie au profit de l'électron. La fréquence du photon étant proportionnelle à son énergie, il y a abaissement de la fréquence au moment du choc. (…) L'effet Compton a apporté à la théorie des photons une éclatante confirmation. (…) On peut encore citer comme confirmation de la conception des photons la découverte de l'effet Raman un peu postérieure à l'effet Compton. (…) Bref, depuis trente ans, l'hypothèse d'après laquelle l'énergie lumineuse présenterait une structure granulaire s'est montrée très féconde et il n'y a pas de doute qu'elle ne nous révèle un aspect essentiel de la réalité physique. (…) Mais comment imaginer l'existence de grains de lumière insécables alors que les expériences d'interférences montrent qu'on peut obtenir des trains d'onde cohérents de plusieurs mètres ? Si l'on suppose l'énergie lumineuse concentrée en grains bien localisés dans l'espace, comment comprendre l'existence même des interférences ? (...)

La découverte de l'effet photoélectrique indiquait la nécessité de revenir vers une conception de ce genre (granulaire), mais en même temps, la forme même de la relation d'Einstein montrait qu'il fallait unir la conception granulaire et celle des ondes, de manière que les deux termes de la relation aient un sens physique.

Il faut signaler une difficulté plus subtile. Dans les conceptions classiques, l'énergie d'un corpuscule est une grandeur qui a une valeur parfaitement déterminée. Par contre, dans la théorie du rayonnement, on ne peut jamais considérer un rayonnement comme strictement monochromatique : un rayonnement contient toujours des composantes dont les fréquences occupent un petit intervalle spectral, intervalle qui peut être très petit, mais ne peut être rigoureusement nul. C'est un fait sur lequel P. Planck a beaucoup insisté dans ses exposés sur la théorie du rayonnement. Dès lors, la relation d'Einstein qui égale l'énergie du corpuscule de lumière au produit par h de la fréquence de l'onde classique correspondante, a quelque chose de paradoxal puisqu'elle égale une quantité bien définie à une autre qui ne l'est pas. Le développement de la mécanique ondulatoire a montré plus tard quel était le sens véritable de cette difficulté.

En résumé, l'hypothèse des photons, merveilleusement adaptée à l'interprétation de l'effet photoélectrique et de l'effet Compton, ne peut pas conduire à une théorie purement corpusculaire des radiations. (…)

Nous ne pouvons pas explorer directement l'intérieur de l'atome, ce microcosme inimaginablement petit où toutes les grandeurs sont des fractions infimes de celles que nous pouvons percevoir. La structure de l'atome ne peut nous être révélée que par des phénomènes observables à notre échelle qui sont des conséquences de cette structure. Au nombre de ces phénomènes, figurent les spectres de raies lumineuses qui sont émis dans certaines conditions d'excitation thermique ou électrique par les atomes des corps simples. Ces raies lumineuses sont, en effet, caractéristiques des atomes qui les émettent : elles correspondent à des événements qui se produisent à l'intérieur de ces atomes et peuvent par suite nous renseigner sur leur structure. (…) L'exploration du spectre de l'hydrogène en dehors des limites du visible a révélé l'existence d'une série ultraviolette (série de Lyman) et de séries infrarouges (séries de Pashen, de Brackett, de Pfund) (…) Pour chaque atome, il est possible de trouver une suite de nombres, appelés les termes spectraux de l'atome considéré, tels que la fréquence de toute raie spectrale de cet atome soit égale à la différence de deux de ces termes spectraux. (…)

Nous voici donc amenés à parler de cette fameuse théorie quantique de l'atome que Mr Bohr développa pour la première fois en 1913. (…) L'idée essentielle de Bohr, c'est qu'à l'intérieur de l'atome, les électrons ne peuvent se trouver que dans certains états stationnaires d'énergie quantifiés. (…) Elle a admis que, sur chaque niveau quantifié, il ne peut y avoir plus d'un nombre maximum d'électrons. (…) Mr Bohr a admis que l'atome dans ses états stationnaires ne rayonne pas, ce qui revient à nier la possibilité d'appliquer la théorie électromagnétique du rayonnement au mouvement orbital des électrons sur leurs trajectoires stables. Ayant ainsi rompu toute relation avec la théorie électromagnétique, la théorie quantique de l'atome paraissait bien désarmée pour prévoir les caractéristiques des rayonnements émis sous forme de raies spectrales. Nous avons vu comment Mr Bohr a résolu la question en ce qui concerne les fréquences des raies spectrales grâce à l'hypothèse que chaque transition entre états quantifiés s'accompagne de l'émission d'un quantum d'énergie radiante. Mais cette loi des fréquences ne précise que d'une manière bien incomplète les rayonnements émis puisqu'elle ne nous dit rien sur les intensités et les polarisations. (…) M. Bohr est parvenu en 1916 à combler, au moins partiellement, cette lacune en suivant une méthode très originale et même quelque peu déconcertante, qui consiste essentiellement en ceci : malgré l'échec de la théorie électromagnétique classique dans le domaine atomique, on cherche néanmoins à établir une certaine correspondance entre le phénomènes quantiques et les formules de l'électromagnétisme de façon à pouvoir comprendre pourquoi la théorie électromagnétique fournit une bonne représentation des faits à grande échelle. (…) En d'autres termes, d'après la théorie quantique, l'émission des raies spectrales d'un corps simple est discontinue et procède par actes individuels isolés. Il est donc assurément difficile de trouver deux conceptions plus différentes l'une de l'autre que la conception classique et celle de la théorie quantique et l'on peut au premier abord se demander légitimement si aucun pont ne pourra être construit pour les relier. (…) On s'aperçoit que cette correspondance, si toutefois elle est réalisable, ne peut être que de nature statistique. En effet, une correspondance avec l'image classique ne peut évidemment s'établir qu'en considérant simultanément l'émission de toutes les raies spectrales ; or, du point de vue quantique pour lequel l'émission de chaque quantum de radiation monochromatique est un acte individuel, cela n'est possible qu'en considérant un ensemble d'atomes de même nature en très grand nombre, ensemble où se produisent constamment des transitions de toutes sortes accompagnées de l'émission de diverses raies spectrales de l'élément considéré. D'autre part, on ne peut introduire dans la théorie quantique la notion indispensable d'intensité des diverses raies qu'en se plaçant également du point de vue statistique. L'atome quantifié, en effet, quand il subit une transition, émet un seul quantum, une seule unité, de radiation monochromatique ; pour un tel acte individuel d'émission, il ne saurait être question de l'intensité du rayonnement. Pour pouvoir définir une intensité, il faut donc encore considérer un ensemble d'un grand nombre d'atomes de même nature. (…) La nature essentiellement discontinue de la quantification, exprimée par l'apparition dans les formules de nombre entiers, les nombres quantiques, présentait un étrange contraste avec la nature continue des mouvements envisagés par la dynamique ancienne, newtonienne ou einsteinienne. (…)

Introduisons maintenant le concept de photon. Un faisceau de lumière nous apparaît comme un flot de photons et une expérience d'interférence ou de diffraction devient à nos yeux une expérience où, par suite du dispositif employé, les photons se retrouvent répartis d'une manière non uniforme dans l'espace, étant concentrés dans les franges brillantes et fuyant les franges obscures. (…) dans ces expériences, les interférences se produisent, même quand les photons arrivent un par un sur le dispositif interférentiel. Force est donc d'admettre, pour expliquer dans ce cas l'obtention finale, après de longues poses, des figures usuelles d'interférences, que l'intensité de l'onde associée à chaque photon représente en chaque point la probabilité pour que le photon se trouve en ce point. Nous sommes ainsi amenés à passer d'un point de vue statistique à un point de vue probabiliste, et le principe des interférences nous apparaît comme un principe réglant les probabilités de localisation des photons. (…) Dans un atome quantifié, il existe une série de fréquences correspondant à des états stationnaires d'énergie quantifiée. Mais, pour un tel système, tout comme pour une corde vibrante, on peut très bien envisager un état quelconque formé par une superposition d'états stationnaires (…) On ne peut plus dire que l'atome est dans un de ses états stationnaires : il est en quelque sorte à la fois dans plusieurs états stationnaires, ce qui est évidemment incompréhensible avec les conceptions classiques. Avec le principe de décomposition spectrale, la difficulté est résolue dans un sens inattendu : l'atome dans l'état envisagé peut avoir l'une quelconque des valeurs quantifiées de l'énergie représentées dans le développement spectral de son onde et cela avec des probabilités proportionnelles aux intensités des composantes spectrales correspondantes. (…)

Il est utile de réfléchir à certaines expériences classiques en optique physique. Ici encore, c'est en partant de la dualité des photons et des ondes lumineuses que nous aurons le plus de chance de pouvoir débrouiller les choses. Nous allons donc envisager une expérience bien usuelle : l'analyse spectrale d'un faisceau de lumière complexe à l'aide d'un prisme (ou d'un réseau). L'effet du dispositif employé est alors, comme on le sait depuis Newton, de séparer les diverses composantes monochromatiques contenues dans la lumière incidente. On a beaucoup discuté au 19ème siècle la question de savoir si les composantes monochromatiques isolées par le prisme existaient dans la lumière incidente ou étaient créées par l'action du prisme. Aucune réponse bien satisfaisante n'avait été donnée à cette question, mais en fin de compte l'attitude la plus prudente consistait à dire : les composantes monochromatiques existent virtuellement, en quelque sorte à l'état potentiel, dans la lumière incidente. Nous allons voir que cette opinion est confirmée par les analyses de nature quantique dont nous allons parler. »

La lumière

Lumière quantique

Robert Paris — 2009-07-29T14:18:51Z

Qu'est-ce qu'un photon ?

"Nous saurions beaucoup de choses, si nous savions ce qu'est un rayon lumineux."

Louis de Broglie

Qu'est-ce que la lumière, le film

Le quanta de lumière

Max Planck dans « Initiations à la physique » :

« L'existence de faits nombreux permet d'affirmer qu'un rayon lumineux d'une couleur donnée ne transmet pas son énergie d'une manière continue ; mais que cette énergie est partagée en particules distinctes appelées « photons » (…) Lorsque l'intensité lumineuse est forte, les photons se suivent en rangs si serrés qu'en pratique le phénomène ne se différencie pas d'une apparence d'émission continue, mais quand l'intensité de la source diminue ou quand la source s'éloigne, la densité du rayonnement devient de plus en plus faible et les photons se séparent les uns des autres. L'élément caractéristique du processus est que les gouttes d'énergie ou photons ne deviennent pas plus petites quand le rayonnement diminue, mais qu'elles sont seulement plus rares, leur grandeur demeurant constante. »

« Les photons ne sont pas complètement descriptibles et subissent des transitions spontanées dans le vide. »

David Ritz Finkelstein
dans « L'éther adamantin », article de « Le vide »,
ouvrage collectif présenté par Edgard Gunzig et Isabelle Stengers

Optique quantique, le film

Lorsqu'on observe l'arc en ciel, on croit à la continuité du phénomène du fait que le spectre des fréquences lumineuses qui correspondent aux couleurs n'admet que quelques trous. Cependant cette continuité de la lumière n'est qu'apparente. Rappelons que ce spectre continu de la lumière dite blanche est, en fait, un rayonnement thermique appelé rayonnement du corps noir dont Planck et Einstein ont montré qu'il est fondé sur des quanta, donc fondamentalement discontinu. Le rayonnement thermique est fondé sur un équilibre thermique de la cavité qui est chauffée et qui émet. Il ne dépend pas des matériaux dont est composée la cavité. Toutes les fréquences existent mais l'émission se fiait forcément par nombre entier de paquets qui sont des quanta.

La lumière naturelle

On sait depuis le 17ème siècle que la lumière « blanche » du soleil, tout autant que celle des lampes traditionnelles, est en fait composée et montre, après être passée par exemple dans un prisme, l'ensemble des couleurs de l'arc-en-ciel. (…) Il faut se rappeler que la lumière n'est en fait qu'une variété d'ondes électromagnétiques, on sait cela depuis la fin du 19ème siècle, grâce aux travaux de Maxwell et de Hertz. Ce qui la différencie est sa longueur d'onde, c'est-à-dire la distance qui sépare deux « crêtes » du champ électrique, qui est de l'ordre du demi-micron, un demi-millième de millimètre, alors qu'en radio on utilise des longueurs d'onde allant du mètre au kilomètre. (…) Les couleurs de l'arc-en-ciel correspondent tout simplement aux vibrations de longueurs d'onde différentes qui composent la lumière naturelle. (…) Dans le domaine qui est visible pour notre oeil, les grandes longueurs d'onde correspondent au rouge, soit de 0,76 microns, les plus courtes de 0,4 microns et correspondent au bleu-violet. (…) Si on observe la lumière jaune émise par la vapeur de sodium (…) on obtient non pas un spectre continu comme celui de la lumière blanche, mais ce que l'on appelle un spectre de raies. Toute l'intensité lumineuse y est concentrée autour de quelques longueurs d'onde bien définies, formant les « raies spectrales » du corps considéré. Ces raies sont connues depuis assez longtemps, et ce sont les savants allemands Kirchoff et Bunsen qui eurent l'idée, dès 1860, d'y voir une « signature » des espèces atomiques et de s'en servir pour analyser la nature chimique des corps. (…) On a ainsi accès à une caractéristique très profonde des atomes. (…) Encore plus mystérieux paraît le fait que non seulement ces raies apparaissent en émission, mais aussi en absorption. (…) En améliorant, le dispositif à prisme de Newton, celui-ci avait en effet observé que la décomposition de la lumière du soleil en spectre continu de couleurs faisait apparaître plusieurs centaines de raies noires (…) En outre, ces raies ont la même position que les raies d'émission (…) »

Dans wikipedia

La théorie ondulatoire de Maxwell ne rend cependant pas compte de toutes les propriétés de la lumière. Cette théorie prédit que l'énergie d'une onde lumineuse dépend seulement de l'amplitude de l'onde, mais pas de sa fréquence ; or de nombreuses expériences indiquent que l'énergie transférée de la lumière aux atomes dépend seulement de la fréquence et non de l'amplitude. Par exemple, certaines réactions chimiques ne sont possibles qu'en présence d'une onde lumineuse de fréquence suffisante : en dessous d'une fréquence seuil, quelle que soit l'intensité incidente, la lumière ne peut amorcer la réaction. De manière similaire, dans l'effet photoélectrique, les électrons ne sont éjectés d'une plaque de métal qu'au-dessus d'une certaine fréquence, et l'énergie des électrons émis dépend de la fréquence de l'onde, et non de son amplitude. Dans le même ordre d'idée, les résultats obtenus à la fin du XIXe et au début du XXe siècle sur le rayonnement du corps noir sont reproduits théoriquement par Max Planck en 1900 en supposant que la matière interagissant avec une onde électromagnétique de fréquence ν ne peut recevoir ou émettre de l'énergie électromagnétique que par paquets de valeur bien déterminée égale à hν – ces paquets étant appelés des quanta.

Puisque les équations de Maxwell autorisent n'importe quelle valeur de l'énergie électromagnétique, la plupart des physiciens pensaient initialement que cette quantification de l'énergie échangée était due à des contraintes encore inconnues sur la matière qui absorbe ou émet la lumière. En 1905, Einstein fut le premier à proposer que la quantification de l'énergie soit une propriété de la lumière elle-même. Bien qu'il ne remette pas en cause la validité de la théorie de Maxwell, Einstein montre que la loi de Planck et l'effet photoélectrique pourraient être expliqués si l'énergie de l'onde électromagnétique était localisée dans des quanta ponctuels qui se déplaçaient indépendamment les uns des autres, même si l'onde elle-même était étendue continuement dans l'espace. Dans son article, Einstein prédit que l'énergie des électrons émis lors de l'effet photoélectrique dépend linéairement de la fréquence de l'onde. Cette prédiction forte sera confirmée expérimentalement par Robert Millikan en 1916, ce qui lui vaudra – parallèlement à ses expériences sur les gouttes chargées – le prix Nobel de 1923. En 1909 et en 1916, Einstein montre que, si la loi de Planck du rayonnement du corps noir est exacte, les quanta d'énergie doivent également transporter une impulsion p = h / λ, ce qui en fait des particules à part entière. L'impulsion du photon a été mise en évidence expérimentalement par Arthur Compton, ce qui lui valut le prix Nobel de 1927.

Pendant tout le début du XXe siècle cependant, la notion de photon reste discutée, principalement en raison de l'absence d'un formalisme permettant de combiner les phénomènes ondulatoires avec les phénomènes corpusculaires nouvellement découverts. Ainsi en 1913, dans une lettre de recommandation en faveur de l'admission d'Einstein à l'académie des sciences de Prusse, Planck écrit :
« Il ne faut pas trop lui tenir rigueur de ce que, dans ses spéculations, il ait occasionnellement pu dépasser sa cible, comme par exemple avec son hypothèse des quanta de lumière. »
De nombreux effets mettant en évidence la nature quantifiée de la lumière peuvent en fait être également expliqués par une théorie semiclassique, dans laquelle la matière est quantifiée mais la lumière est considérée comme un champ électromagnétique classique. Parmi les phénomènes ainsi explicables, on peut par exemple citer l'existence d'un seuil dans l'effet photoélectrique, la relation entre l'énergie de l'électron émis et la fréquence de l'onde, le regroupement des photoélectrons dans un interféromètre Hanbury Brown et Twiss, ainsi que la statistique poissonienne des comptes. Contrairement à une idée répandue, l'effet photoélectrique n'est donc pas la preuve absolue de l'existence du photon (bien que certaines expériences sur l'effet photoélectrique ne puissent cependant pas être expliquées par une théorie semiclassique).
L'expérience de Compton donne une existence plus tangible au photon, puisque ce dernier montre que la diffusion des électrons par les rayons X s'explique bien en attribuant au photon le moment cinétique prédit par Einstein. Cette expérience marque une étape décisive, après laquelle l'hypothèse des quanta de lumière emporte l'adhésion de la majorité des physiciens. Dans une dernière tentative de sauver la variation continue de l'énergie électromagnétique et de la rendre compatible avec les expériences, Bohr, Kramers et Slater développent un modèle basé sur deux hypothèses drastiques :

• L'énergie et l'impulsion ne sont conservées qu'en moyenne, mais pas lors des processus élémentaires tels que l'absorption et l'émission de lumière. Cela permet de réconcilier le changement discontinu de l'énergie de l'atome avec les variations continues de l'énergie de la lumière.

• La causalité est abandonnée. Par exemple, l'émission spontanée est simplement une émission induite par un champ électromagnétique "virtuel".

Cependant, des expériences de diffusion Compton plus précises montrent que l'énergie et l'impulsion sont conservées extraordinairement bien lors des processus élémentaires, et également que le recul de l'électron et la génération d'un nouveau photon lors de la diffusion Compton obéissent à la causalité à moins de 10ps près. En conséquence, Bohr et ses collaborateurs donnent à leur modèle "des funérailles aussi honorables que possible". Sur le front théorique, l'électrodynamique quantique inventée par P.A.M. Dirac parvient à donner une théorie complète du rayonnement – et des électrons – expliquant la dualité onde-corpuscule. Depuis cette époque, et notamment grâce à l'invention du laser, les expériences confirment de manière de plus en plus directe l'existence du photon et l'échec des théories semi classiques. Il est notamment devenu possible de mesurer la présence d'un photon sans l'absorber, démontrant ainsi de manière directe la quantification du champ électromagnétique, de sorte que la prédiction d'Einstein est considérée comme prouvée.

Les éléments atomiques n'émettent que de manière discontinue comme on le voit ci-dessous :

Le spectre solaire contient ainsi des bandes noires qui séparent les bandes colorées. Il y a des fréquences pour lesquelles aucun corps n'émet ni n'absorbe de lumière.

Sur la discontinuité quantique de … la lumière

La lumière, et partant les forces d'interaction, ont longtemps été considérées comme continues, alors même que la matière était déjà considérée comme discontinue, atomique. C'est la physique quantique qui a montré que la lumière n'était pas moins discontinue que la matière. Les interférences, qui semblaient l'expérience la plus démonstrative du caractère ondulatoire et donc continu de la lumière. L'expérience des fentes de Young (une émission peut passer dans l'un des deux trous et on constate des franges d'interférence - alternativement claire et sombre) semblait trancher dans le sens ondulatoire. Cela a été le contraire puisque les particules de lumière, les photons, peuvent être envoyés un par un et captés un par un sur l'écran. Cependant, même si l'émission est réalisée ainsi, photon par photon, sur l'écran les figures d'interférence se réalisent progressivement à partir d'un très grand nombre de photons émis. Cela a complètement cassé l'image des interférences conçues comme un produit de la continuité des ondes. Et ce n'était pas fini : l'expérience de l'effet photoélectrique (un photon suffisamment énergétique arrache des électrons de la matière) a montré le caractère discontinu de la lumière, entraînant la physique quantique vers un renoncement à la continuité aussi bien pour la lumière que pour la matière.

Louis de Broglie dans « La physique nouvelle et les quanta » :

« L'effet photoélectrique et la structure discontinue de la lumière

La découverte et l'étude du phénomène photoélectrique a réservé aux physiciens une très grande surprise. Ce phénomène consiste en ceci qu'un morceau de matière exposé à l'action d'une radiation de longueur d'onde suffisamment courte projette souvent autour de lui des électrons en mouvement rapide. La caractéristique essentielle du phénomène est que l'énergie des électrons expulsés est uniquement fonction de la fréquence de la radiation incidente et ne dépend nullement de son intensité. Seul le nombre des électrons dépend de l'intensité incidente. (..) Mr Einstein a eu, en 1905, l'idée très remarquable que les lois de l'effet photoélectrique indiquent l'existence pour la lumière d'une structure discontinue où les quanta interviennent. (…) Lorsqu'un électron contenu dans la matière recevra un grain de lumière, il pourra absorber l'énergie de ce grain et sortir de la matière où il était enfermé, à condition toutefois que l'énergie du grain de lumière soit supérieur au travail nécessaire à l'électron pour sortir de la matière. L'électron ainsi expulsé par l'action de la lumière possèdera donc une énergie cinétique égale à l'énergie du grain de lumière absorbée diminuée du travail dépensé pour sortir de la matière : cette énergie cinétique sera donc une fonction linéaire de la fréquence de la radiation incidente, le coefficient angulaire de la droite qui la représente étant numériquement égal à la constante de Planck. (…) Telle est l'interprétation des lois de l'effet photoélectrique proposée en 1905 par Einstein. Il l'avait appelée la théorie des quanta de lumière. Aujourd'hui nous l'appelons la théorie des photons, car nous avons donné aux grains de lumière le nom de photons. Depuis trente ans, l'existence du photon a reçu de nombreuses confirmations. (…) L'étude de l'effet photoélectrique des rayons X et gamma a permis de soumettre à une épreuve très rigoureuse l'exactitude de la relation photoélectrique d'Einstein (…) la découverte d'un autre phénomène est venu en 1923 fournir une nouvelle preuve de l'existence du photon. Nous voulons parler de l'effet Compton. On sait que, si une radiation vient frapper un corps matériel, une partie de l'énergie de cette radiation est, en général, éparpillée dans toutes les directions sous forme de radiation diffusée. La théorie électromagnétique interprète cette diffusion en disant que, sous l'influence du champ électrique de l'onde incidente, les électrons contenus dans le corps matériel entrent en vibration forcée et deviennent des sources de petites ondes sphériques secondaires qui diffusent ainsi dans toutes les directions une partie de l'énergie apportée par l'onde primaire. D'après cette interprétation, la vibration diffusée sous l'action d'une onde primaire monochomatique doit avoir très exactement la même fréquence que cette onde primaire. (…) Mais une étude plus précise de la diffusion des rayons X par la matière a permis de constater qu'à côté de la diffusion sans changement de fréquence prévue par la théorie électromagnétique, il se produisait une diffusion avec diminution d e fréquence tout à fait impossible à prévoir par le raisonnement classique. (…) La radiation diffusée a une fréquence variable avec l'angle de diffusion, mais indépendante de la nature du corps. diffuseur. Mr Compton, et presque en même temps Mr Debye, ont eu l'idée que ces lois pouvaient s'interpréter en assimilant la diffusion avec changement de fréquence à un choc entre un photon incident et un électron contenu dans la matière. Au moment du choc, il y a échange d'énergie et de quantité de mouvement entre le photon et l'électron et, comme l'électron peut en général être considéré comme presque immobile en comparaison du photon, c'est toujours le photon qui perd de l'énergie au profit de l'électron. La fréquence du photon étant proportionnelle à son énergie, il y a abaissement de la fréquence au moment du choc. (…) L'effet Compton a apporté à la théorie des photons une éclatante confirmation. (…) On peut encore citer comme confirmation de la conception des photons la découverte de l'effet Raman un peu postérieure à l'effet Compton. (…) Bref, depuis trente ans, l'hypothèse d'après laquelle l'énergie lumineuse présenterait une structure granulaire s'est montrée très féconde et il n'y a pas de doute qu'elle ne nous révèle un aspect essentiel de la réalité physique. (…) Mais comment imaginer l'existence de grains de lumière insécables alors que les expériences d'interférences montrent qu'on peut obtenir des trains d'onde cohérents de plusieurs mètres ? Si l'on suppose l'énergie lumineuse concentrée en grains bien localisés dans l'espace, comment comprendre l'existence même des interférences ? (...)

La découverte de l'effet photoélectrique indiquait la nécessité de revenir vers une conception de ce genre (granulaire), mais en même temps, la forme même de la relation d'Einstein montrait qu'il fallait unir la conception granulaire et celle des ondes, de manière que les deux termes de la relation aient un sens physique.

Il faut signaler une difficulté plus subtile. Dans les conceptions classiques, l'énergie d'un corpuscule est une grandeur qui a une valeur parfaitement déterminée. Par contre, dans la théorie du rayonnement, on ne peut jamais considérer un rayonnement comme strictement monochromatique : un rayonnement contient toujours des composantes dont les fréquences occupent un petit intervalle spectral, intervalle qui peut être très petit, mais ne peut être rigoureusement nul. C'est un fait sur lequel P. Planck a beaucoup insisté dans ses exposés sur la théorie du rayonnement. Dès lors, la relation d'Einstein qui égale l'énergie du corpuscule de lumière au produit par h de la fréquence de l'onde classique correspondante, a quelque chose de paradoxal puisqu'elle égale une quantité bien définie à une autre qui ne l'est pas. Le développement de la mécanique ondulatoire a montré plus tard quel était le sens véritable de cette difficulté.

En résumé, l'hypothèse des photons, merveilleusement adaptée à l'interprétation de l'effet photoélectrique et de l'effet Compton, ne peut pas conduire à une théorie purement corpusculaire des radiations. (…)

Nous ne pouvons pas explorer directement l'intérieur de l'atome, ce microcosme inimaginablement petit où toutes les grandeurs sont des fractions infimes de celles que nous pouvons percevoir. La structure de l'atome ne peut nous être révélée que par des phénomènes observables à notre échelle qui sont des conséquences de cette structure. Au nombre de ces phénomènes, figurent les spectres de raies lumineuses qui sont émis dans certaines conditions d'excitation thermique ou électrique par les atomes des corps simples. Ces raies lumineuses sont, en effet, caractéristiques des atomes qui les émettent : elles correspondent à des événements qui se produisent à l'intérieur de ces atomes et peuvent par suite nous renseigner sur leur structure. (…) L'exploration du spectre de l'hydrogène en dehors des limites du visible a révélé l'existence d'une série ultraviolette (série de Lyman) et de séries infrarouges (séries de Pashen, de Brackett, de Pfund) (…) Pour chaque atome, il est possible de trouver une suite de nombres, appelés les termes spectraux de l'atome considéré, tels que la fréquence de toute raie spectrale de cet atome soit égale à la différence de deux de ces termes spectraux. (…)

Nous voici donc amenés à parler de cette fameuse théorie quantique de l'atome que Mr Bohr développa pour la première fois en 1913. (…) L'idée essentielle de Bohr, c'est qu'à l'intérieur de l'atome, les électrons ne peuvent se trouver que dans certains états stationnaires d'énergie quantifiés. (…) Elle a admis que, sur chaque niveau quantifié, il ne peut y avoir plus d'un nombre maximum d'électrons. (…) Mr Bohr a admis que l'atome dans ses états stationnaires ne rayonne pas, ce qui revient à nier la possibilité d'appliquer la théorie électromagnétique du rayonnement au mouvement orbital des électrons sur leurs trajectoires stables. Ayant ainsi rompu toute relation avec la théorie électromagnétique, la théorie quantique de l'atome paraissait bien désarmée pour prévoir les caractéristiques des rayonnements émis sous forme de raies spectrales. Nous avons vu comment Mr Bohr a résolu la question en ce qui concerne les fréquences des raies spectrales grâce à l'hypothèse que chaque transition entre états quantifiés s'accompagne de l'émission d'un quantum d'énergie radiante. Mais cette loi des fréquences ne précise que d'une manière bien incomplète les rayonnements émis puisqu'elle ne nous dit rien sur les intensités et les polarisations. (…) M. Bohr est parvenu en 1916 à combler, au moins partiellement, cette lacune en suivant une méthode très originale et même quelque peu déconcertante, qui consiste essentiellement en ceci : malgré l'échec de la théorie électromagnétique classique dans le domaine atomique, on cherche néanmoins à établir une certaine correspondance entre le phénomènes quantiques et les formules de l'électromagnétisme de façon à pouvoir comprendre pourquoi la théorie électromagnétique fournit une bonne représentation des faits à grande échelle. (…) En d'autres termes, d'après la théorie quantique, l'émission des raies spectrales d'un corps simple est discontinue et procède par actes individuels isolés. Il est donc assurément difficile de trouver deux conceptions plus différentes l'une de l'autre que la conception classique et celle de la théorie quantique et l'on peut au premier abord se demander légitimement si aucun pont ne pourra être construit pour les relier. (…) On s'aperçoit que cette correspondance, si toutefois elle est réalisable, ne peut être que de nature statistique. En effet, une correspondance avec l'image classique ne peut évidemment s'établir qu'en considérant simultanément l'émission de toutes les raies spectrales ; or, du point de vue quantique pour lequel l'émission de chaque quantum de radiation monochromatique est un acte individuel, cela n'est possible qu'en considérant un ensemble d'atomes de même nature en très grand nombre, ensemble où se produisent constamment des transitions de toutes sortes accompagnées de l'émission de diverses raies spectrales de l'élément considéré. D'autre part, on ne peut introduire dans la théorie quantique la notion indispensable d'intensité des diverses raies qu'en se plaçant également du point de vue statistique. L'atome quantifié, en effet, quand il subit une transition, émet un seul quantum, une seule unité, de radiation monochromatique ; pour un tel acte individuel d'émission, il ne saurait être question de l'intensité du rayonnement. Pour pouvoir définir une intensité, il faut donc encore considérer un ensemble d'un grand nombre d'atomes de même nature. (…) La nature essentiellement discontinue de la quantification, exprimée par l'apparition dans les formules de nombre entiers, les nombres quantiques, présentait un étrange contraste avec la nature continue des mouvements envisagés par la dynamique ancienne, newtonienne ou einsteinienne. (…)

Introduisons maintenant le concept de photon. Un faisceau de lumière nous apparaît comme un flot de photons et une expérience d'interférence ou de diffraction devient à nos yeux une expérience où, par suite du dispositif employé, les photons se retrouvent répartis d'une manière non uniforme dans l'espace, étant concentrés dans les franges brillantes et fuyant les franges obscures. (…) dans ces expériences, les interférences se produisent, même quand les photons arrivent un par un sur le dispositif interférentiel. Force est donc d'admettre, pour expliquer dans ce cas l'obtention finale, après de longues poses, des figures usuelles d'interférences, que l'intensité de l'onde associée à chaque photon représente en chaque point la probabilité pour que le photon se trouve en ce point. Nous sommes ainsi amenés à passer d'un point de vue statistique à un point de vue probabiliste, et le principe des interférences nous apparaît comme un principe réglant les probabilités de localisation des photons. (…) Dans un atome quantifié, il existe une série de fréquences correspondant à des états stationnaires d'énergie quantifiée. Mais, pour un tel système, tout comme pour une corde vibrante, on peut très bien envisager un état quelconque formé par une superposition d'états stationnaires (…) On ne peut plus dire que l'atome est dans un de ses états stationnaires : il est en quelque sorte à la fois dans plusieurs états stationnaires, ce qui est évidemment incompréhensible avec les conceptions classiques. Avec le principe de décomposition spectrale, la difficulté est résolue dans un sens inattendu : l'atome dans l'état envisagé peut avoir l'une quelconque des valeurs quantifiées de l'énergie représentées dans le développement spectral de son onde et cela avec des probabilités proportionnelles aux intensités des composantes spectrales correspondantes. (…)

Il est utile de réfléchir à certaines expériences classiques en optique physique. Ici encore, c'est en partant de la dualité des photons et des ondes lumineuses que nous aurons le plus de chance de pouvoir débrouiller les choses. Nous allons donc envisager une expérience bien usuelle : l'analyse spectrale d'un faisceau de lumière complexe à l'aide d'un prisme (ou d'un réseau). L'effet du dispositif employé est alors, comme on le sait depuis Newton, de séparer les diverses composantes monochromatiques contenues dans la lumière incidente. On a beaucoup discuté au 19ème siècle la question de savoir si les composantes monochromatiques isolées par le prisme existaient dans la lumière incidente ou étaient créées par l'action du prisme. Aucune réponse bien satisfaisante n'avait été donnée à cette question, mais en fin de compte l'attitude la plus prudente consistait à dire : les composantes monochromatiques existent virtuellement, en quelque sorte à l'état potentiel, dans la lumière incidente. Nous allons voir que cette opinion est confirmée par les analyses de nature quantique dont nous allons parler. »

La lumière, le film

La lumière

La lumière naturelle

Rappelons que ce spectre continu de la lumière dite blanche est, en fait, un rayonnement thermique appelé rayonnement du corps noir dont Planck et Einstein ont montré qu'il est fondé sur des quanta, donc fondamentalement discontinu. Le rayonnement thermique est fondé sur un équilibre thermique de la cavité qui est chauffée et qui émet. Il ne dépend pas des matériaux dont est composée la cavité. Toutes les fréquences existent mais l'émission se fiait forcément par nombre entier de paquets qui sont des quanta.

Nature de la lumière :

Dans wikipedia

• La causalité est abandonnée. Par exemple, l'émission spontanée est simplement une émission induite par un champ électromagnétique "virtuel".

Qu'est-ce que la vitesse de la lumière c et est-elle indépassable ?

Robert Paris — 2009-02-15T13:48:12Z

Jean-Paul Auffray, dans « L'atome »

« Selon la mécanique quantique, les rayons émis (ou absorbés) par un atome sont composés de photons dotés, en tant que tels, de deux caractéristiques fondamentales : ils se déplacent à la vitesse de la lumière (égale à 300.000 kilomètres par seconde environ) et ils transportent chacun un paquet d'énergie égale à la constante de Planck h multiplié par la fréquence µ du rayonnement considéré.
Les choses de présentent différemment dans notre représentation. Les rayons sont composés de quanta d'action (l'action a la dimension d'une énergie multipliée par un temps) auxquels ni l'une ni l'autre des deux contraintes citées ci-dessus (vitesse c et paquet d'énergie hµ) n'est applicable : les quanta peuvent aller soit moins vite soit plus vite que la lumière et peuvent transporter une énergie soit plus petite soit plus grande que hµ. Y a-t-il une chance concrète de pouvoir trancher entre les deux points de vue, en observant par exemple un quantum allant plus vite que la lumière et transportant une énergie plus grande que hµ ?

Selon notre point de vue, lorsqu'un quantum rencontre sur son chemin un passage étroit – un tunnel – dont la largeur ou le diamètre est du même ordre de grandeur que la longueur de son pas, il « allonge le pas » pour traverser cet obstacle, ce qui a pour effet de le faire émerger de l'autre côté du piège plus tôt que prévu il traverse donc le tunnel à une vitesse « supraluminique ». Ce phénomène remarquable est connu en mécanique quantique sous le nom d' « effet tunnel ». Au cours des années 90, plusieurs groupes de chercheurs (en particulier Anedio Ranfani à Florence, Günther Nimtz à Cologne et Raymond Chiao à Berkeley) l'ont étudié au moyen de techniques très sophistiquées. Ainsi l'équipe de Cologne a mesuré des vitesses cinq fois supérieures à c !
Le phénomène fascine … et embarrasse les physiciens : c'est qu'ils sont habitués à penser que « rien ne peut aller plus vite que la lumière ». Pour expliquer les vitesses supraluminiques, la mécanique quantique a recours à une représentation du photon qui en fait un « paquet d'ondes », véritable composite … d'éléments individuels ressemblant étrangement à nos quanta d'action ! En un mot, elle utilise de facto la représentation ci-dessus.

Aephraïm Steinberg à Berkeley a étudié de près le comportement d'un paquet d'ondes traversant un tunnel constitué dans ses expériences par une couche mince réfléchissante que seul un quantum sur cent en moyenne parvenait à traverser. Ses conclusions confirment qu'en traversant le tunnel le paquet « voyage plus vite que la lumière », même s'il conclut également qu' « on ne peut pas exploiter cet effet pour transférer de l'énergie à une vitesse moyenne supérieure à celle de la lumière. » A quoi cela tient-il ?

Les calculs de Richard Feynman montrent que sur de longues distances seuls les quanta qui se déplacent à la vitesse de la lumière parviennent à demeurer en phase les uns avec les autres et sont donc observables (sont « réels » au sens donné par les spécialistes). C'est ce qui nous fait dire que la lumière a une vitesse c bien déterminée, toujours la même dans le vide. Mais cette restriction ne s'applique pas sur de courtes distances, à l'échelle interne de l'atome par exemple. »

vitesse supraluminique

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Sur wikipedia :

La vitesse de la lumière dans le vide

D'après les théories de la physique moderne, et notamment les équations de Maxwell, la lumière visible et toutes les ondes électromagnétiques ont une vitesse constante dans le vide, la vitesse de la lumière.

On la considère donc comme une constante physique notée c (du latin celeritas, « vitesse »). Mais elle n'est pas seulement constante (pense-t-on) en tous les endroits (et à tous les âges) de l'univers (principes cosmologiques faible et fort, respectivement) ; elle l'est également d'un repère inertiel à un autre (principe d'équivalence restreint). En d'autres termes : quel que soit le repère inertiel de référence d'un observateur ou la vitesse de l'objet émettant la lumière, tout observateur obtiendra la même mesure.

Aucun objet matériel ni aucun signal ne peut voyager plus vite que c dans le cadre des théories existantes. Seuls peuvent « voyager » plus vite que c (à vitesse dite supraluminique) des fronts virtuels (l'ombre portée à grande distance d'un objet en rotation, par exemple), et on ne peut pas s'en servir pour transmettre un signal, ni de l'énergie. Ce ne sont en fait même pas des objets à proprement parler.

L'expérience d'Alain Aspect montre qu'un observateur peut être informé instantanément, par une mesure sur une particule proche, de l'état d'une particule lointaine, mais il n'y a pas là non plus de réelle transmission de signal.

La vitesse de la lumière dans le vide est notée c :

c = 299 792 458 mètres par seconde

Effets supraluminiques

En mécanique quantique, il existe une collection d'effets qui explorent les limites de la notion de vitesse limite indépassable. Les expériences associées à ces effets sont plus subtiles à interpréter. Cela dit, on démontre que si certains phénomènes donnent l'impression d'impliquer une propagation instantanée, voire remontant le temps, aucun de ces phénomènes ne permet de transporter de l'énergie ou de l'information.

Effet Hartman

Un photon ou un électron traversant par effet tunnel une barrière quantique peut manifester un délai de traversée plus court que celui mis par la lumière pour une distance équivalente, ce temps étant évalué par l'observation du sommet du paquet d'ondes correspondant, avant et après la barrière. Compte tenu de l'épaisseur de la barrière tunnel, le sommet du paquet d'onde est réduit, et semble être passé plus vite que la vitesse de la lumière. Ce phénomène est appelé effet Hartman (ou effet Hartman-Fletcher). Les explications de ce phénomène dans le cadre de la mécanique quantique s'avèrent interdire son utilisation hypothétique pour le transport d'information ou d'énergie supraluminique.

Effet Casimir

L'effet Casimir est un effet visible à très petite échelle, mais tout de même mesurable et qui correspond à une pression[4] sur des plaques conductrices exercée par le vide quantique situé entre elles. Ainsi qu'il est décrit en théorie quantique des champs le vide quantique est le lieu de création et d'annihilation à tout instant de nombreuses particules virtuelles. L'existence de conditions au bord différentes pour le vide extérieur et intérieur aux plaques implique alors une différence d'énergie entre les deux qui est la cause de la pression mesurée sur les plaques.

Les particules virtuelles sont par définition en dehors de leur couche de masse, ce qui signifie qu'elles ne satisfont pas à la relation E2 = p2c2 + m2c4, et sont par définition inobservables individuellement bien que leur contribution collective soit mesurable comme dans l'effet Casimir et plus généralement dans toutes les corrections quantiques aux observables classiques d'une théorie quantique des champs.

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La vitesse de la lumière pourrait être variable, ralentie par les fluctuations du vide quand elle est très énergétique (on sait que tout comme une corde, plus l'énergie est grande, plus la longueur d'onde est courte : plus c'est lourd plus c'est petit comme le noyau est plus petit que l'électron ! Plus c'est petit, plus l'énergie est grande, plus le temps est court et plus les fluctuations du vide sont assez importantes pour dévier les photons, qui ralentissent donc et s'embourbent).

En étudiant en 2005 la galaxie Markarian 501, les astrophysiciens ont fait une bien curieuse découverte : des photons semblent se déplacer à des vitesses différentes ! Selon les plus audacieux d'entre-eux, il pourrait s'agir d'une des toutes premières preuves en faveur de certaines théories de gravitation quantique comme la Loop Quantum Gravity ou la théorie des supercordes.

La taille de la région d'où sont originaires ces éruptions ne semble pas excéder la distance que parcourt la lumière en trois secondes et chacune d'entre elles a produit des photons gamma dont les énergies s'échelonnent entre 100 Gev et 10 Tev, et ce, pendant un temps estimé à 2 minutes à peu près. Là où les choses commencent à devenir très intéressantes, c'est que les photons gamma les plus énergétiques sont arrivés sur Terre avec 4 minutes de retard environ sur les moins énergétiques !

En particulier, John Wheeler et Stephen Hawking ont défendu depuis longtemps l'idée qu'en raison des lois de la mécanique quantique, si l'espace-temps semble lisse et calme à notre échelle, il n'en est pas de même lorsqu'on le considère à des échelles de distances bien plus petites qu'un milliardième de la taille d'un noyau d'atome. Si l'on se donne une image de fluide pour décrire ce qui se passe à une échelle de 10-35 m, la longueur de Planck, on obtient celle d'un liquide en ébullition, très turbulent. Les lois de la gravitation quantique impliquent en effet alors une structure très similaire à celle de l'écume d'une vague se brisant sur un rocher. C'est ce que John Wheeler a justement baptisé en anglais la « foam like structure » de l'espace-temps.

Une théorie quantique du champ de gravitation doit donc elle aussi conduire à des fluctuations quantiques violentes, mais transitoires, de la structure de l'espace-temps avec apparition temporaire de trous de vers et de trous noirs virtuels. Or, plus un photon est énergétique, plus sa longueur d'onde est courte. Ce qui veut dire qu'il sera d'autant plus sujet à être affecté par la structure microscopique de l'espace-temps. Plus cette longueur sera courte, plus les fluctuations conduisant à l'apparition de mini trous noirs virtuels modifieront sa trajectoire dans l'espace-temps.

Une structure discrète semble alors émerger dans certains cas, exactement comme le prédisent les théoriciens de la Loop Quantum Gravity. Les deux approches sont donc peut-être complémentaires pour décrire l'effet de la structure quantique de l'espace-temps sur la propagation des photons. De fait, ces deux approches pour la gravitation quantique que sont la théorie des cordes et la LQG, conduisent à des formules similaires pour décrire cet effet.

Comment un observateur se déplaçant à la vitesse de la lumière (aux côtés du photon lumineux) voit-il le monde ? ou le paradoxe de la relativité restreinte

Que savons-nous sur la lumière ?

Un photon, c'est quoi ?!!!

L'effet tunnel, plus rapide que la lumière

La réduction du paquet d'ondes, plus rapide que la lumière

03- Matière et lumière dans le vide

Faber Sperber, Robert Paris — 2008-03-17T23:05:00Z

« Les particules n'accèdent à l'existence dans le monde ordinaire que grâce à un processus de création-annihilation dans ce plein qu'est le vide. »

Victor Weisskopf dans « La révolution des quanta »

Matière et lumière, le film

SITE MATIÈRE ET RÉVOLUTION : www.matierevolution.fr

Dans l'espace interstellaire comme dans la matière microscopique, on trouve des structures entourées de vide : des discontinuités elles-mêmes encore constituées d'autres structures avec entre elles surtout du vide ... Et ces structures émettent de la lumière, qui est une forme d'interaction entre ces structures. L'énergie qui se transporte ainsi définit un espace-temps dans lequel ces structures évoluent.

Pour comprendre la matière à grande échelle, on a cherché à connaitre la matière à petite échelle, procédure réductionniste qui a, avec la physique quantique, atteint ses limites. En effet, les particules dites élémentaires ne sont pas plus simples que la matière à notre échelle. Elles manifestent, elles aussi, des phénomènes à diverses échelles ! Si on les considère dans le vide, on croirait les imager par des objets ponctuels mais on serait loin du compte.

Le physicien Léon Léderman :
« Si l'électron est un point, où se trouve la masse, où se trouve la charge ? Comment savons-nous que l'électron est un point ? Peut-on me rembourser ? »

L'électron n'a pas une position fixe : sa charge tremble, sa masse saute d'un point à un autre, son nuage de polarisation interagit avec le voisinage.... Cela définit diverses "dimensions" de l'électron. S'il est capté, il est ponctuel. Sa masse est ponctuelle. Sa charge est ponctuelle. S'il interagit, il est considéré par l'autre objet comme une zone de dimension non nulle. les divers es dimensions ont entre elles un rapport égal à la constante de structure fine alpha. Voilà les résultats de la physique quantique sur la "particule élémentaire".

Qu'est-ce que l'atome, l'élémentaire, l' « insécable » ? Un nuage de points à de nombreuses échelles ! Ces points sont les particules électrisées, dites virtuelles, qui composent le vide. La propriété de masse de l'électron saute d'une particule virtuelle du nuage à une autre.

La lumière est constituée par deux (ou un nombre pair) particules virtuelles d'électricité opposées.

Le vide, avec ses divers niveaux hiérarchiques, est donc le constituant de base de l'univers matière/lumière.

Le caractère probabiliste de l'électron provient du fait qu'il n'est pas un seul objet mais un ensemble de niveaux emboîtés fondés sur l'agitation du vide.

La propriété de dualité de la particule élémentaire (se comportant à la fois comme un corpuscule et comme une onde) a été l'une des interrogations les plus difficiles de la physique quantique. L'onde et le corpuscule sont deux descriptions très opposées de la réalité et pourtant la matière comme la lumière se sont révélés être à la fois corpusculaires et ondulatoires. A la fois ne signifie pas que l'on peut effectuer en même temps une expérience qui donne les deux résultats. Par contre, dès que l'on effectue une expérience donnant un résultat du type onde, on obtient une onde. Et, à chaque fois que l'on effectue une expérience du type corpuscule, on obtient un corpuscule. De là a découlé une interprétation selon laquelle c'était l'observation par l'homme qui décidait de la nature du réel…
En fait, la dualité provient du caractère fractal de la particule. Celle-ci existe à plusieurs échelles. Si l'on mesure à une échelle, on obtient un résultat à cette échelle. On perd, du coup, le résultat trouvé à une autre échelle.
Si l'expérience effectue une mesure sur le nuage de polarisation, on obtient un résultat ondulatoire. Si on interagit avec le point matériel, on obtient un résultat corpusculaire qui prouve que l'électron est bien ponctuel et est bien un seul être. Mais cet être existe simultanément aux différents niveaux. Par contre, dès que le corpuscule est capté, dans un temps extrêmement court, le nuage disparaît. En effet, au niveau où se situent les particules virtuelles, la limite de vitesse de la lumière n'a plus cours. C'est la « réduction du paquet d'ondes » qui a tellement compliqué la vie des physiciens quantiques.
On peut interpréter ainsi l'ensemble des propriétés, souvent apparemment étranges, de la particule dite élémentaire, l'électron.
Les physiciens avaient, depuis longtemps, remarqué qu'il y avait un problème pour en comprendre la nature. Comme le relève Abraham Pais dans « Subtle is the lord », probablement la meilleure biographie d'Einstein, « Tout ce qui reste de ceci (des travaux de Abraham, Lorentz, Poincaré, Einstein,… sur l'auto-énergie de électron), c'est que nous ne comprenons toujours pas ce problème. » Certains physiciens théorisent même l'impossibilité de se le représenter Margenau (1961) : « Les électrons ne sont ni des particules, ni des ondes (…) Un électron est une abstraction, qui ne peut plus être décrite par une image intuitive correspondant à notre espérance de tous les jours mais déterminé au travers de formules mathématiques. » Mais, comme Einstein le disait à Wheeler : « Si je ne peux pas l'imaginer, je ne peux pas le comprendre. » Et Einstein affirmait : « Vous savez, il serait suffisant de réellement comprendre l'électron. » En 1991, la conférence internationale sur l'électron de Antigonish écrivait encore : « Nous sommes réunis ici pour discuter de nos connaissances actuelles sur l'électron. (…) Il est étrange de constater quelle masse énorme de technologie est fondée sur l'électron sans que nous soyons capable de comprendre cette particule. » Ce pessimisme des physiciens devant les contradictions de l'électron a un fondement réel : il est impossible de donner une seule image cohérente de son fonctionnement si on considère que l'électron est un seul objet à une seule échelle.

Ces remarques provenaient en effet de nombreuses difficultés théoriques pour interpréter les phénomènes observés. L'interprétation qui en est donnée ici est celle du caractère fractal de l'électron. Elle explique notamment les sauts quantiques de la particule et de l'atome. Il y a un saut à chaque interaction entre niveaux de réalité de la particule. Le saut d'échelle explique le saut du phénomène. Par exemple, l'électron ne suit pas une trajectoire, mais saute d'une position à une autre. Cette discontinuité provient du fait que l'électron ne se déplace pas dans un espace continu, mais interagit avec les particules virtuelles du vide. Le « simple » déplacement est déjà le produit de ce caractère fractal. Il en va de même sur les interaction entre particules de matière, entre matière et lumière, et, plus généralement, entre matière et vide.

Quant au caractère probabiliste de la particule, si étrange que son découvreur Einstein n'arrivait à l'accepter, il n'existerait pas si on était capable d'étudier simultanément la réalité à toutes les échelles.
On a beaucoup disserté sur l' « incertitude » inhérente à la physique quantique, limite prétendue des capacités de l'homme de connaître le monde ou même, disent certains, preuve que le réalisme matérialiste devrait être abandonné. En fait, c'est bien le caractère fractal du réel qui cause cette indétermination quand on mesure à une échelle.
Ce que les physiciens ont remarqué, c'est qu'en mesurant ou raisonnant à une échelle, on ne doit pas chercher à dépasser une certaine précision. Sinon on n'améliore pas notre image, on la détériore mais ils se demandaient pourquoi. On a dit bien souvent que c'était contraire à notre expérience quotidienne et au bon sens. Je ne le crois pas. Quand on lit un texte, on se rapproche un peu pour lire correctement, mais si on se rapproche trop, on voit moins bien. Il y a une échelle favorable pour lire et on ne peut pas lire à la fois à toutes les échelles. De même, on ne peut pas avoir une carte à l'échelle qui permette à la fois d'indiquer plusieurs villes éloignées et les rues de ces villes. Il faut choisir. Est-ce que cela signifie que la carte choisit ce que sera la réalité ? Non, cela signifie seulement que la réalité existe à plusieurs échelles suffisamment différentes pour ne pas pouvoir être examinées simultanément.

Le nuage de polarisation qui entoure l'électron est constitué d'éléments d'un monde inférieur qui est le monde des particules virtuelles caractérisées par deux propriétés liées entre elles : pas de masse et pas d'espace-temps tel que nous le connaissons à notre échelle macroscopique ni tel qu'il existe (localement) dans l'environnement d'une masse. Ces particules sont électrisées positivement ou négativement et s'ordonnent dynamiquement autour de l'électron par couches positives et négatives alternativement, écrantant ainsi le champ de la charge électrique à proximité de l'électron. Cela explique qu'aucune charge électrique ne peut s'approcher au point de toucher l'électron. Il y a toujours des couches de particules virtuelles entre deux particules « réelles ». Rappelons une fois de plus que les particules dites virtuelles sont tout aussi réelles que celles dites réelles mais sont situées à un autre niveau de réalité. Elles ne sont pas les seules puisqu'existent à un niveau encore inférieur le « virtuel de virtuel ». Ainsi deux particules virtuelles sont elles-mêmes entourées, à un niveau hiérarchique inférieur, de particules électrisées. Ces mondes ne sont pas seulement emboités. Les niveaux sont interactifs. Et même plus puisque chaque niveau émerge du niveau inférieur. Les particules « réelles » sont des structures portées par des particules virtuelles qui reçoivent un boson de Higgs. Lorsque la particule virtuelle devient porteuse de masse, elle construit autour d'elle un champ d'espace-temps, elle structure l'espace-temps désordonné du niveau virtuel.
Le nuage de polarisation tourne du fait du magnétisme par l'action du mouvement de l'électron. C'est ce que l'on appelle le spin de l'électron. Mais les couches positives et négatives ne tournent pas de la même manière car l'électron est chargé négativement. Cela explique qu'il faille de tour pour revenir à la situation de départ, ce que l'on appelle un spin ½.

La charge de l'électron est ponctuelle. Sa masse est ponctuelle. Pourtant, les expériences montrent également qu'elles ne sont jamais exactement au même endroit, d'où des propriétés de rotations internes de la structure électron. Cette différence provient du fait que le saut de l'électron ne produit pas la même réaction aux diverses échelles d'espace-temps. La masse bouge plus lentement que les bosons. Elle met plus de temps pour se déplacer. Elle va donc moins loin. Cela produit plusieurs mouvements différents. Le nuage de positions de la charge est beaucoup plus ample que celui de la masse : le rapport appelé « constante de structure fine » est le rapport d'échelle des différents mondes hiérarchiques emboîtés est donc aussi le rapport entre les temps ou les distances. C'est donc aussi le rapport entre les différents « rayons de l'électron ». Alors que la masse tremblote autour de sa position (propriété appelée « zitterbezegung »), la charge s'étend sur toute une zone.

L'une des bizarreries de la physique de l'électron est quantique : c'est la superposition d'états. Deux particules qui interagissent mettent en commun leurs états. Cela n'aurait aucun sens si on gardait l'image de la particule, objet indépendant. La « superposition d'états » ne peut être interprétée comme une onde physique, ce qui fait que les premiers physiciens quantiques ont parlé seulement d' « onde de probabilité de présence ». Mais quelle est la réalité physique du phénomène menant à cette probabilité de présence. Comment l'électron « sait-il » qu'il doit prendre telle ou telle position au sein de son nuage de probabilité de présence. La physique quantique a longtemps répondu qu'il n'existait pas de réponse et certains s'aventuraient même à dire qu'il n'y en aurait jamais. C'était logique pour la physique quantique : au sein de son formalisme la question ne pouvait pas être posée. Cependant, l'étude du vide a changé les données du problème. Elle nous a appris l'existence de tout un milieu du vide, milieu agité et plein d'énergie : les quanta positifs et négatifs qui apparaissent et disparaissent dans un temps très court. Les « particules virtuelles » ont d'abord servi de base de calcul avant que leur réalité soit reconnue. On admet aujourd'hui l'existence de plusieurs niveaux du vide. Il y a ainsi un virtuel de virtuel. Les particules n'interagissent pas à distance mais au travers du vide. Cependant, le vide quantique est un milieu aux propriétés très différentes de celles que nous connaissons au niveau de la matière que nous connaissons. Tout d'abord, il y a autant d'antiparticules que de particules. Ensuite, l'espace et le temps s'agitent en tout sens, sautent sans cesse, empêchant toute notion de trajectoire, de force. Les particules virtuelles n'ont pas de masse. L'énergie, le moment sont des notions qui ont cours mais elles sont utilisées différemment. Il n'y a pas conservation de l'énergie à tout instant. Dans la matière à notre échelle, de l'énergie ne peut pas brutalement apparaître là où elle n'existait pas. Au sein du vide quantique, l'énergie se conserve seulement globalement. Toute énergie qui apparaît au sein du vide doit disparaître dans un temps court, d'autant plus court que cette énergie est importante. C'est ce qui met en place la notion de quanta : le produit d'un temps et d'une énergie.

Il y a un lien entre le vide et la matière/lumière. Le vide n'est pas seulement le media des interactions matière-matière ou matière-lumière, il est le fondement de la matière et de la lumière. C'est le vide qui produit sans cesse les phénomènes « matière » et « lumière ». Le vide n'est pas seulement l'espace sur lequel photons et particules se déplacent. Ce déplacement n'est rien d'autre qu'une interaction avec le vide. Plus encore, le vide est le constituant de la matière et de la lumière.

Il en résulte une compréhension nouvelle de la matière et de la lumière. Les particules et les photons ont en commun … le vide qui les compose ! Les particules n'interagissent pas par des collisions mécaniques mais par des interaction entre les éléments à un échelon inférieur : celui du vide. Du coup, des particules peuvent échanger leurs composants virtuels : interagir. Ils peuvent ainsi constituer des superpositions d'états, des états corrélés.

Michel Paty dans « Nouveaux voyages au pays des quanta » :

« L'électron interagit avec les « paires virtuelles » de son propre champ électromagnétique. (…) Le vide quantique contient de telles paires virtuelles et cet effet a été observé sous le nom de « polarisation du vide ». L'électron se trouve interagir avec la charge d'un des éléments de la paire virtuelle, en sorte qu'un électron quantique n'est jamais « nu » mais « habillé » d'un essaim ou nuage de paires virtuelles qui polarisent son environnement immédiat et modifient, par voie de conséquence, ses niveaux d'énergie. (…) La procédure dite de renormalisation considère que la masse et la charge physique de l'électron sont celles de l'électron « habillé » et non celles de l'électron « nu ». ce dernier n'existe pas réellement, puisqu'il est toujours impensable sans son champ. »

Henri Poincaré écrit dans « Leçons sur le rayonnement thermique » :
« L'hypothèse des quanta d'action consiste à supposer que ces domaines, tous égaux entre eux ne sont plus infiniment petits, mais finis et égaux à h, h étant une constante. »

Théorème de Joseph Liouville, rapporté par Jean-Paul Auffray dans « L'atome » :
« La densité de points dans le voisinage d'un point donné dans l'extension de phase est constante dans le temps. »

Enoncé de Poincaré, dans « l'hypothèse des quanta » :

« L'énergie est égale au produit de la fréquence par l'élément d'action. (...) Le quantum d'action est une constante universelle, un véritable atome. (...) Un système physique n'est susceptible que d'un nombre fini d'états distincts ; et il saute d'un de ces états à l'autre sans passer par une série continue d'états intermédiaires. (...) l'ensemble des points représentatifs de l'état du système est une région (...) dans laquelle les points sont si serrés qu'ils nous donnent l'illusion de la continuité. (...) ces points représentatifs isolés ne doivent pas être distribués dans l'espace de façon quelconque (...) mais de telle sorte que le volume d'une portion quelconque de matière demeure constant. (...) L'état de la matière pondérable pourrait varier d'une manière discontinue, avec un nombre fini d'états possibles seulement. (...) L'univers sauterait donc brusquement d'un état à l'autre ; mais dans l'intervalle, il demeurerait immobile, les divers instants pendant lesquels il resterait dans le même état ne pourraient plus être discernés l'un de l'autre : nous arriverions ainsi à la variation discontinue du temps, à l'atome de temps. (...) Si plusieurs points représentatifs constituent un domaine élémentaire insécable dans l'extension en phase, alors les états du système que ces points représentent constituent nécessairement, eux aussi, un seul et même état. »

Jean-Paul Auffray dans « L'atome » :
« Richard Feynman demandait à son fils : « Lorsqu'un atome fait une transition d'un état à un autre, il émet un photon. D'où vient le photon ? » (…) Dans la terminologie de Feynman, le quantum est un photon virtuel. »

Extraits de "Entre le temps et l'éternité" de Prigogine et Stengers :

"La raison du chaos quantique est l'apparition des résonances. (...) Ces résonances, qui caractérisent l'ensemble des situations fondamentales de la mécanique quantique, correspondent à des interactions entre champs (c'est-à-dire aussi aux interactions matière-lumière). On peut affirmer que notre accès au monde quantique a pour condition l'existence des systèmes chaotiques quantiques. (...)
Nous avons surtout souligné les dimensions négatives du chaos dynamique, la nécessité qu'il implique d'abandonner les notions de trajectoire et de déterminisme. Mais l'étude des systèmes chaotiques est également une ouverture ; elle crée la nécessité de construire de nouveaux concepts, de nouveaux langages théoriques. Le langage classique de la dynamique implique les notions de points et de trajectoires, et, jusqu'à présent, nous-mêmes y avons eu recours alors même que nous montrions l'idéalisation – dans ce cas illégitime – dont elles procèdent. Le problème est maintenant de transformer ce langage, de sorte qu'il intègre de manière rigoureuse et cohérente les contraintes que nous venons de reconnaître.
Il ne suffit pas, en effet, d'exprimer le caractère fini de la définition d'un système dynamique en décrivant l'état initial de ce système par une région de l'espace des phases, et non par un point. Car une telle région, soumise à l'évolution que définit la dynamique classique, aura beau se fragmenter au cours du temps, elle conservera son volume dans l'espace des phases. C'est ce qu'exprime un théorème général de la dynamique, le théorème de Liouville. Toutes les tentatives de construire une fonction entropie, décrivant l'évolution d'un ensemble de trajectoires dans l'espace des phases, se sont heurtées au théorème de Liouville, au fait que l'évolution d'un tel ensemble ne peut être décrite par une fonction qui croîtrait au cours du temps.
Or, un argument simple permet de montrer l'incompatibilité, dans le cas d'un système chaotique, entre le théorème de Liouville et la contrainte selon laquelle toute description définit le « pouvoir de résolution » de nos descriptions ; il existera toujours une distance r telle que nous ne pourrons faire de différence entre des points plus proches l'un de l'autre (…) La nouvelle description des systèmes dynamiques chaotiques substitue au point un ensemble correspondant à un fragment de fibre contractante. Il s'agit d'une description non locale, qui tient compte de la contrainte d'indiscernabilité que nous avons définie. Mais cette description n'est pas relative à notre ignorance. Elle donne un sens intrinsèque au caractère fini de nos descriptions : dans le cas où le système n'est pas chaotique, où l'exposant de Lyapounov est de valeur nulle, nous retrouvons la représentation classique, ponctuelle, et les limites mises à la précision de nos mesures n'affectent plus la représentation du système dynamique.
Cette nouvelle représentation brise également la symétrie temporelle. (…) Là où une seule équation d'évolution permettait de calculer l'évolution vers le passé ou vers le futur de points eux-mêmes indifférents à cette distinction, nous avons maintenant deux équations d'évolution différentes. L'une décrirait l'évolution d'un système vers un équilibre situé dans le futur, l'autre décrirait l'évolution d'un système vers un équilibre situé dans le passé.
L'un des grands problèmes de l'interprétation probabiliste de l'évolution vers l'équilibre était que la représentation probabiliste ne donne pas sens à la distinction entre passé et futur. (…) La nouvelle description dynamique que nous avons construite incorpore, en revanche, la flèche du temps (…) Les comportements dynamiques chaotiques permettent de construire ce pont, que Boltzmann n'avait pu créer, entre la dynamique et le monde des processus irréversibles. La nouvelle représentation de l'objet dynamique, non locale et à symétrie temporelle brisée, n'est pas une description approximative, plus pauvre que la représentation classique. Elle définit au contraire cette représentation classique comme relative à un cas particulier. (…) Nous savons aujourd'hui que ces derniers (les systèmes non-chaotiques), qui dominèrent si longtemps l'imagination des physiciens, forment en fait une classe très particulière. (…) C'est en 1892, avec la découverte d'un théorème fondamental par Poincaré ( la loi des trois corps), que se brisa l'image homogène du comportement dynamique : la plupart des systèmes dynamiques, à commencer par le simple système « à trois corps » ne sont pas intégrables.
Comment comprendre cet énoncé ? Depuis les travaux de Hamilton, on sait qu'un même système dynamique peut être représenté de différentes manières équivalentes par une transformation dite canonique (ou unitaire) (…) L'hamiltonien du système est la grandeur qui détermine son évolution temporelle.
Parmi toutes les transformations unitaires, il en existe une qui permet d'aboutir à une représentation privilégiée du système. C'est celle qui fait de l'énergie, c'est-à-dire de l'hamiltonien, une fonction des seuls moments, et non plus des positions. Dans une telle représentation, les mouvements des différentes particules du système sont décrits comme s'ils ne dépendaient plus des positions relatives des particules, c'est-à-dire comme si elles n'étaient plus en interaction. (…) Les mouvements possibles de tels systèmes ont donc la simplicité des mouvements libres. (…)
Or, en 1892, Poincaré montra qu'en général il est impossible de définir la transformation unitaire qui ferait des « actions » des invariants du système. La plupart des systèmes dynamiques n'admettent pas d'invariants en dehors de l'énergie et de la quantité de mouvement, et dès lors ne sont pas intégrables.
La raison de l'impossibilité de définir les invariants du mouvement qui correspondent à la représentation d'un système dynamique intégrable tient à un mécanisme de résonance. (…) Le mécanisme de résonance peut être caractérisé comme un transfert d'énergie entre deux mouvements périodiques couplés dont les fréquences sont entre elles dans un rapport simple.
Ce sont ces phénomènes de résonance – mais, cette fois, entre les différents degrés de liberté qui caractérisent un même système dynamique – qui empêchent que ce système soit mis sous une forme intégrable. La résonance la plus simple entre les fréquences se produit quand ces fréquences sont égales, mais elle se produit aussi à chaque fois que les fréquences sont commensurables, c'est-à-dire chaque fois qu'elles ont entre elles un rapport rationnel. Le problème se complique du fait que de manière générale les fréquences ne sont pas constantes. (…) Ce qui fait que, dans l'espace des phases d'un système dynamique, il y aura des points caractérisés par une résonance, alors que d'autres ne le seront pas. L'existence des points de résonance interdit en général la représentation en termes de variables cycliques, c'est-à-dire une décomposition du mouvement en mouvements périodiques indépendants.
Les points de résonance, c'est-à-dire les points auxquels les fréquences ont entre elles un rapport rationnel, sont rares, comme sont rares les nombres rationnels par rapport aux nombres irrationnels. Dès lors, presque partout dans l'espace des phases, nous aurons des comportements périodiques de type habituel. Néanmoins, les points de résonance existent dans tout le volume fini de l'espace des phases. D'où le caractère effroyablement compliqué de l'image des systèmes dynamiques telle qu'elle nous a été révélée par la dynamique moderne initiée par Poincaré et poursuivie par les travaux de Kolmogoroff, Arnold et Moser.
Si les systèmes dynamiques étaient intégrables, la dynamique ne pourrait nous livrer qu'une image statique du monde, image dont le mouvement du pendule ou de la planète sur sa trajectoire képlérienne constituerait le prototype. Cependant l'existence des résonances dans les systèmes dynamiques à plus de deux corps ne suffit pas pour transformer cette image et la rendre cohérente avec les processus évolutifs étudiés précédemment. Lorsque le volume reste petit, ce sont toujours les comportements périodiques qui dominent. (…)
Cependant, pour les grands systèmes, la situation s'inverse. Les résonances s'accumulent dans l'espace des phases, elles se produisent désormais non plus en tout point rationnel, mais en tout point réel. (…) Dès lors, les comportements non périodiques dominent, comme c'est le cas dans les systèmes chaotiques. (…)
Dans le cas d'un système de sphères dures en collision, Sinaï a pu démontrer l'identité entre comportement cinétique et chaotique, et définir la relation entre une grandeur cinétique comme le temps de relaxation (temps moyen entre deux collisions) et le temps de Lyapounov qui caractérise l'horizon temporel des systèmes chaotiques. (…)
Or, l'atome en interaction avec son champ constitue un « grand système quantique » auquel, nous l'avons démontré, le théorème de Poincaré peut être étendu. (…) La « catastrophe » de Poincaré se répète dans ce cas : contrairement à ce que présupposait la représentation quantique usuelle, les systèmes caractérisés par l'existence de telles résonances ne peuvent être décrits en termes de superposition de fonctions propres de l'opérateur hamiltonien, c'est-à-dire d'invariants du mouvement. Les systèmes quantiques caractérisés par des temps de vie moyens, ou par des comportements correspondants à des « collisions », constituent donc la forme quantique des systèmes dynamiques au comportement chaotique (…)
L'abandon du modèle des systèmes intégrables a des conséquences aussi radicales en mécanique quantique qu'en mécanique classique. Dans ce dernier cas, il impliquait l'abandon de la notion de point et de loi d'évolution réversible qui lui correspond. Dans le second, il implique l'abandon de la fonction d'onde et de son évolution réversible dans l'espace de Hilbert. Dans les deux cas, cet abandon a la même signification : il nous permet de déchiffrer le message de l'entropie. (…)
La collision, transfert de quantité de mouvement et d'énergie cinétique entre deux particules, constitue, du point de vue dynamique, un exemple de résonance. Or, c'est l'existence des points de résonance qui, on le sait depuis Poincaré, empêche de définir la plupart des systèmes dynamiques comme intégrables. La théorie cinétique, qui correspond au cas d'un grand système dynamique ayant des points de résonance « presque partout » dans l'espace des phases , marque donc la transformation de la notion de résonance : celle-ci cesse d'être un obstacle à la description en termes de trajectoires déterministes et prédictibles, pour devenir un nouveau principe de description, intrinsèquement irréversible et probabiliste.
C'est cette notion de résonance que nous avons retrouvée au cœur de la mécanique quantique, puisque c'est elle qu'utilisa Dirac pour expliquer les événements qui ouvrent un accès expérimental à l'atome, l'émission et l'absorption de photons d'énergie spécifique, dont le spectre constitue la véritable signature de chaque type d'atome. (…) Le temps de vie, qui caractérise de manière intrinsèque un niveau excité, dépend, dans le formalisme actuel de la mécanique quantique, d'une approximation et perd son sens si le calcul est poussé plus loin. Dès lors, la mécanique quantique a dû reconnaître l'événement sans pouvoir lui donner de sens objectif. C'est pourquoi elle a pu paraître mettre en question la réalité même du monde observable qu'elle devait rendre intelligible. (…)
Pour expliquer les transitions électroniques spontanées qui confèrent à tout état excité un temps de vie fini, Dirac avait dû faire l'hypothèse d'un champ induit par l'atome et entrant en résonance avec lui. Le système fini que représente l'atome isolé n'est donc qu'une abstraction. L'atome en interaction avec son champ est, lui, un « grand système quantique », et c'est à son niveau que se produit la « catastrophe de Poincaré ».
L'atome en interaction avec le champ qu'il induit ne constitue pas, en effet, un système intégrable et ne peut donc pas plus être représenté par l'évolution de fonction d'onde qu'un système classique caractérisé par des points de résonance ne peut être caractérisé par une trajectoire. C'est là la faille que recélait l'édifice impressionnant de la mécanique quantique. (…) Il est significatif que, partout, nous ayons rencontré la notion de « brisement de symétrie ». Cette notion implique une référence apparemment indépassable à la symétrie affirmée par les lois fondamentales qui constituent l'héritage de la physique. Et, en effet, dans un premier temps, ce sont ces lois qui ont guidé notre recherche. (…) La description à symétrie temporelle brisée permet de comprendre la symétrie elle-même comme relative à la particularité des objets autrefois privilégiés par la physique, c'est-à-dire de situer leur particularité au sein d'une théorie plus générale. »

Interaction du rayonnement avec la matière

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"L'électron n'est pas pensable sans son cortège de photons potentiels."

Gilles Cohen-Tannoudji dans "La Matière-espace-temps"

On peut écrire de même que l'atome n'est pas pensable sans les échanges de photons qui permettent aux électrons de changer de couche atomique par exemple. Cette propriété est fondamentale dans l'interprétation quantique de l'atome et de ses sauts d'un état à un autre. C'est le fondement de l'étude de l'atome par celle des émissions lumineuses, ou spectre d'émission.

Ce qu'est aujourd'hui la matière et la lumière :

La matière et la lumière sont deux phénomènes dialectiquement opposés, c'est-à-dire des inverses inséparables. Pas de communication entre matières sans échange de lumière (les physiciens disent des photons ou des bosons pour "lumière" ou encore des particules d'interaction). Pas de matière sans entourage de photons dits virtuels. Pas de perception de ces photons sans matière. Matière et lumière manifestent d'autre part une unité impressionnante. Ils sont tous deux faits de quanta d'action. La matière émet et absorbe de la lumière. Ils obéissent identiquement aux lois quantiques avec notamment cette étonnante propriété de dualité onde/corpuscule, cette non moins étonnante propriété de pluralité des états et enfin celle des sauts quantiques. Cependant, matière et lumière s'opposent. les uns obéissent à une logique attractive (les bosons) et les autres à une logique répulsive dite principe de Pauli (les particules matérielles). Cela signifie que les particules de lumière ont tendance à se grouper entre photons qui sont en phase et les particules ne peuvent exister dans un même état.

Tous deux sont des structures et des rythmes issus des interactions en tous sens et en permanence d'un grand nombre d'oscillateurs dipolaires couplés que sont les couples de particules et de leurs antiparticules virtuelles du vide quantique.

Ni la lumière ni la matière, même dans leurs manifestations dites élémentaires (un seul corpuscule) ne sont des objets. Ce sont des phénomènes d'émergence de structure et de rythme. Ils sont fondés sur un grand nombre de particules virtuelles et de photons virtuels.

On a longtemps cru que la réalité était décrite par des objets, les atomes ou les particules. Il s'agissait de « choses », c'est-à-dire d'éléments fixes qui étaient caractérisés par des paramètres constants. On parlait de charge de l'électron, de masse de l'atome ou de trajectoire (vitesse et position) d'une particule. Tout cela a dû être abandonné devant les découvertes de la physique quantique. Quelle image ressort finalement de ce grand chambardement ? Aucune, diront certains. Pour le site « Matière et révolution », ce n'est pas le cas.

Il s'avère que les paramètres et les structures qui apparaissent doivent leur durabilité à une dynamique extraordinairement animée et fondée sur des chocs. Les attributs qui semblaient attachés à chaque corpuscule ne sont pas des propriétés appartenant en fixe à celui-ci. Tout corpuscule peut changer brutalement de nature et le fait sans cesse. Si on conserve un certain type de corpuscule dans une zone donnée, ce n'est pas dû à une conservation individuelle de chaque corpuscule. Le nombre d'un certain type de corpuscules peut même changer.

La propriété de masse, loin d'être attachée à une particule, saute sans cesse d'une particule à une autre, d'un électron matériel à un électron virtuel qui sera ainsi matérialisé. La propriété « matière » saute donc d'une particule virtuelle du vide à une autre. Tout électron virtuel est destiné à devenir éventuellement réel et inversement. La réalité en question est seulement une existence à un certain niveau, le virtuel une existence non moins véritable mais à une échelle beaucoup plus courte. Tout proton virtuel peut également devenir réel et inversement. D'autre part, un proton peut se changer en neutron au sein du noyau de l'atome, et inversement. Là encore, les oppositions peuvent se changer en leur contraire. Proton en neutron comme précédemment matière en vide et vide en matière. De même le quanta d'interaction n'est pas fixe. Tout photon peut également se changer en couple matière et antimatière, par exemple électrons et positrons virtuels. Du coup, le photon peut se « mélanger » avec la matière pour produire une nouvelle matière et de nouveaux photons en échangeant des particules virtuels. Les particules peuvent aussi échanger des photons. Toutes ces interactions changent la matière et la lumière et se font par des chocs, interactions à une échelle beaucoup plus rapides que les temps caractéristiques des phénomènes sur lesquels ils agissent. De même, un quark peut se changer en un autre. La couleur n'est pas un paramètre attaché au quark mais une propriété pouvant sauter d'un quark à un autre. Un neutrino peut également se changer spontanément en un autre. Un noyau d'atome peut se changer dans un ou plusieurs autres, tout aussi spontanément.

Donc toutes les caractéristiques qui étaient attribuées autrefois à l'objet sautent et toute la dynamique est le produit de ces sauts.

L'apparition de structures et de « constantes » n'est que le produit de ces échanges de propriétés ou de moyennes sur un grand nombre de particules.

La propriété électron peut se maintenir mais seulement en sautant d'un corpuscule à un autre. Si on cherche à suivre individuellement un électron, on s'aperçoit qu'il disparaît et réapparaît plus loin. Et, plus étonnant, un corpuscule peut réapparaître avant de disparaître. Il y a eu distorsion du temps. Dans ces sauts, le temps ne ressemble plus du tout à son ancienne image bien tranquille se déplaçant comme sur une ligne continue parcourue régulièrement. Dans la dynamique, le temps ne parcourt pas une succession linéaire d'instants successifs ressemblant à des points alignés comme des instants.

Là encore, le temps, mais aussi l'espace, ne ressemblent pas au monde dans lequel nous croyons vivre à notre échelle : celui des objets macroscopiques qui ne semblent pas subir des apparitions et des disparitions brutales.

Maurice Jacob dans "Au coeur de la matière" :

"Au coeur de la matière et à l'échelle du cosmos

La nature est plus riche que notre imagination. On peut démonter les molécules en atomes. On peut arracher les électrons d'un atome et séparer les protons et les neutrons qui constituent son noyau. On découvre les différents niveaux de la matière qui mettent en jeu des constituants de plus en plus élémentaires. (...) La masse, cette propriété que l'on pensait intrinsèquement associée à un objet et qui résultait de l'addition des masses de ses constituants, une masse que l'on associait à chaque particule avant de considérer les forces auxquelles elles pouvaient être soumises, cette masse devient un effet dynamique des actions auxquelles les constituants fondamentaux sont soumis. (...) Les particules élémentaires sont les quarks (qui forment notamment les protons et les neutrons) et les leptons (comme l'électron). (...) Les forces qui leur permettent d'interagir entre eux sont toutes du même type : elles prennent la forme particulière d'un échange de bosons. (...) L'un de ces bosons est le "grain de lumière", le photon. (...) Deux particules chargées s'attirent ou se repoussent en échangeant des photons. Au cours d'un choc, ou simplement accélérée, une particule chargée peut émettre un photon (...) dont la fréquence est proportionnelle à son énergie. (...) L'atome est formé d'un tout petit noyau entouré d'un "nuage" d'électrons. Le rayon du noyau est cent mille fois plus petit que celui de l'atome, mais il contient pratiquement toute la masse. l'atome est donc pratiquement vide mais son volume, extrêmement vaste par rapport à celui du noyau, est rempli par le mouvement incessant des électrons qui se concentrent sur des couches successives. Le noyau a une charge positive et les électrons ont une charge négative. Ils sont tous attirés par le noyau mais tournoient à une distance respectable. L'atome est globalement neutre, la charge totale des électrons étant compensée par celle des protons qui se trouvent dans son noyau. (....) En physique quantique, il faut renoncer à considérer une particule comme parfaitement localisable. (...) Ce flou quantique peut heurter l'intuition naturelle (...) ne peut-on envisager l'observation d'un électron pendant un temps très court durant lequel il ne pourrait parcourir qu'une petite partie de la distance associée à ce flou quantique ? C'est possible mais on ne peut plus distinguer dans ce cas l'électron des multiples autres particules (paires d'électrons et de positrons fugitifs du vide) qui peuvent être librement émises et réabsorbées durant ce temps très court. (...) Le vide est animé par la création continuelle et la disparition rapide de paires électron-positron (le positron est l'antiparticule de l'électron). Ce sont des paires virtuelles (...) L'électron de charge négative va attirer les positrons de ces paires virtuelles en repoussant leurs électrons. En approchant de l'électron, le photon va se voir entouré d'un "nuage" de charge positive dû aux positrons virtuels attirés. Il aura l'impression que la charge de l'électron est plus faible que celle annoncée. (...) la masse des particules vient de la structure du vide qui s'est figé au début de l'évolution de l'Univers (...) La diversité de la matière sort de la structure du vide. (...) le vide bouillonne d'activité, il peut même exister sous plusieurs formes et manifester une structure. (...) Ce bouillonnement d'activité est de nature quantique."

Les états et de l'atome et de ses couches électroniques

L'atome n'est pas un objet que l'on puisse appréhender comme une bille ou une autre "chose" c'est-à-dire une matière attraper ou suivre dans un mouvement régulier dans l'espace. Cela a été une déception pour bien des physiciens mais il faut bien admettre que la nature ne se ramène pas à ce type de notion comme celle que l'on appelait "la particule élémentaire". Ce réductionnisme n'a plus cours en physique. Nous allons tenter de montrer que s'y est substituée une notion beaucoup plus fascinante et dynamique qui allie l'existence de la matière mais comme émergence de structure durable, d'un ordre, au sein d'un univers extraordinairement agité. Et c'est ordre est fractal, coexiste à plusieurs niveaux hiérarchiques ayant entre eux des rétroactions étonnantes.

Là où la physique classique envisageait la particule comme un état déterminé et fixe, la physique quantique a dû développer la notion de superposition d'états. Cette superposition s'est appelée fonction d'onde. Il ne s'agissait plus d'ondes au sens classique. L'un des problèmes que cela posait était celui appelé "réduction du paquet d'ondes" puisque la superposition d'états était brutalement supprimée en cas de mesure (ou d'interaction), ce passage de la superposition à un seul état restant mystérieux et inconcevable comme un miracle, ce qui est inacceptable. Tout d'abord, cela suppose qu'une dynamique serait une somme de stationnarité. Ensuite, cela n'explique ni le passage d'un état à un autre ni ne donne une interprétation à la superposition. Du coup, la physique a dû reconcevoir sa thèse en adoptant un point de vue dynamique qui remettait en cause l'ancien point de vue philosophique.

« La microphysique actuelle est essentiellement fondée sur la description minutieuse des états stationnaires (appelés aussi états quantiques), tandis qu'au sujet des transitions, on fait seulement des calculs statistiques. (...)Mais la transition elle-même, en tant que processus individuel, n'est pas décrite. De ce fait, on n'explique pas comment se maintiennent les états stationnaires, car pour expliquer leur étonnante stabilité, il faudrait comprendre ce qui se passe quand un système s'écarte d'un état stationnaire sous l'effet d'une perturbation (...) »
Le physicien Georges Lochak
dans un article de la Revue du Palais de la Découverte intitulé « Vers une microphysique de l'irréversible »

Parmi les principales nouveautés de la physique quantique, il y a la renonciation à la notion d'onde physique. L'onde électromagnétique, lumineuse par exemple, est remplacée par un corpuscule (photon). La fonction d'onde décrit uniquement une probabilité de présence du corpuscule. Tous ces phénomènes font appel à des phénomènes se déroulant à très grande vitesse comme le rappelle Jean Perdijon dans « Les grandes idées en physique » exposant ainsi les expériences où un photon peut passer par deux fentes et où tout se passe comme si le corpuscule passait par une fente et l'onde par l'autre (interférences du photon avec lui-même). Dans une telle expérience, il apparaît que le photon est à la fois onde et corpuscule, phénomène que la physique quantique a nommé « la complémentarité » sans pour autant trancher sur le caractère du phénomène. « Plutôt que d'accepter que le photon possède à la fois deux états complètement contradictoires, on peut penser que cette complémentarité n'est que le résultat d'une alternance des propriétés ondulatoires et corpusculaires de la lumière. Les deux états possédant ces propriétés se succéderaient à une cadence si rapide que nos mesures, qui ne nous fournissent que des valeurs moyennes, seraient seulement capables d'enregistrer un état ou l'autre, suivant le dispositif utilisé. » Cette interprétation a été développée notamment par l'Institut Louis de Broglie (revue numéro 14). Elle sous-entend que des transformations à grande vitesse seraient une interprétation valable des phénomènes de superpositions d'états qui caractérisent la physique quantique et rendent son interprétation si difficile. La matière, même celle dans un état apparemment stable, serait sujette de transformations ultra-rapides, indécelables à l'aide de nos instruments. La conservation d'un état de la matière ne serait pas le produit de l'inaltérabilité mais, au contraire, de transformations employant une grande énergie et se produisant de façon tellement rapide (relativement) qu'elle apparaît quasi instantanée (il n'existe pas de transformation instantanée). Par exemple, le neutrino saute sans cesse d'un état à un autre : neutrino électronique, neutrino mu et neutrino tau. C'est ce que l'on appelle l'oscillation des neutrinos. Il en va de même des autres particules dites stables. Le proton, le plus stable, saute sans cesse en absorbant ou émettant des gluons ou couples quark/antiquark. La stabilité du noyau atomique provient de la transformation de neutron en proton et inversement. La stabilité de l'atome provient de l'absorption et de l'émission de photons. La matière ne cesse pas de sauter d'un état à un autre à grande vitesse si bien qu'on ne constate qu'une « superposition d'états » et que l'on ne peut que calculer la probabilité des divers états. Les seules impressions de continuité dans la matière sont illusoires. L'onde de la vague est constituée de molécules discrètes. L'onde quantique est construite sur des particules éphémères du vide. Le physicien Richard Feynman expose ainsi la genèse de l'électrodynamique quantique qu'il a découverte : « Il nous apparut aussi que nous pouvions reformuler la chose d'une autre façon à l'aide du principe de moindre action. Puisque mon idée de base était de tout décrire directement en termes de mouvements des particules, je désirai représenter cette théorie sans jamais parler de champs ou d'ondes. (...) Il se trouve, bien sûr que vous pouvez restaurer les champs si vous le désirez, mais il faut alors suivre le champ produit par chaque particule séparément. » C'est l'origine de l'intégrale d'action de Feynman qu'il expose dans « La nature de la physique ».

Ainsi, le déplacement apparent d'une particule d'un point à un autre qui semble continu n'est que la somme d'une infinité d'interactions possibles entre corpuscules dans lesquels la particule effectue des sauts, en un bond, en deux bonds, etc comme l'explique Richard Feynman dans « Lumière et matière ».

En microphysique, les particules échangent des photons lumineux pour interagir. Ce phénomène fondamental de la matière/lumière a été interprété pour la première fois par les diagrammes de Feynman de l'électrodynamique quantique. Il s'agit du seul mode de description connu des interactions entre particules via les photons lumineux. Il a été vérifié par un grand nombre de calculs qui sont les plus précis de toute la physique. Cependant, pour bien des physiciens, la réalité des interactions révélées par Feynman n'est pas encore reconnu unanimement. En effet, elles nécessitent de reconnaître dans le vide un nombre infini de particules, d'antiparticules et de photons éphémères, appelés « virtuels » parce qu'ils sont trop fugitifs pour être mis en évidence par des mesures supérieures au temps de Planck [1]. Les virtuels ne peuvent donc être mesurés par la matière/lumière. Au cours d'une transformation de matière/lumière, elles sont insensibles mais sont nécessaires au calcul et on est amené à supposer qu'elles apparaissent et disparaissent. Nous allons voir qu'au contraire les diagrammes de Feynman ne montrent pas que les corpuscules virtuels apparaissent et disparaissent mais que ce sont les corpuscules matériels dits réels qui apparaissent et disparaissent ! Ceux qui existent réellement sont donc les particules du vide et l'aspect réel, durable, n'est qu'une apparence, effet des interactions.

Ainsi, l'interaction électromagnétique, dite coulombienne, est le produit d'échanges de photons dits virtuels et l'interaction nucléaire suppose également des échanges virtuels. Feynmann explique ainsi dans son cours de physique (chapitre Mécanique quantique) que "on a l'habitude de dire qu'il y a échange d'un électron "virtuel" quand l'électron doit sauter à travers une région de l'espace où il y a une énergie négative. Plus précisément, un "échange virtuel" signifie que le phénomène implique une interférence quantique entre un état avec échange et un état sans échange. (...) Yukawa a posé en hypothèse que la force entre deux nucléons est due à un effet d'échange similaire - mais dans ce cas, à l'échange virtuel, non pas d'un électron, mais d'une nouvelle particule qu'il a appelé "méson". Aujourd'hui, nous identifions le méson de Yukawa avec le pion qui se produit dans les collisions à haute énergie de protons ou d'autres particules."

Les particules dites virtuelles sont des particules matérielles et lumineuses de durée de vie inférieure à une quantité appelée temps de Planck. A l'opposé la matière et la lumière habituelles correspondent à des multiples du temps de Planck. Les particules « virtuelles » sont bien réelles. Citons sur ce point le physicien Jean-Marc Lévy-Leblond dans « Aux contraires » : « Tout être physique intermédiaire et éphémère (surtout si sa temporalité est infime à notre échelle) est vite perçu comme virtuel, fictif. (...) Les quantons (virtuels) qui entrent en réaction (échanges de quantons virtuels entre deux particules réelles) ou en émergent, semblent mériter une reconnaissance existentielle plus forte : ils sont là avant et/ou après le processus. »

Les relations entre particules de matière sont des échanges de photons lumineux. Elles ont lieu en permanence et en tous sens. Ce sont ces échanges qui définissent les espaces et les temps entre particules. Ce sont eux qui définissent le temps de la zone. Les électrons échangent des photons entre eux pour définir leur place dans l'espace et c'est au travers de ces échanges de photons entre électrons et noyau que les photons définissent leur place dans l'atome et que la taille de celui-ci est globalement conservée. Ce n'est pas une quantité préétablie. La conservation est encore une fois un produit de la transformation et l'équilibre global de la structure est la conséquence de sa destruction rapide. Un électron ne se maintient égal à lui-même que parce qu'il est sans cesse détruit et reconstruit, qu'il donne ses caractéristiques matérielles à un autre particule fugitive du vide. Ce « miracle » de la matière se déroule en permanence du fait de l'interaction entre particule et vide. Dans l'espace vide, la particule rencontre sans cesse des couples fugitifs de particules et d'antiparticules. Il se couple avec l'antiparticule pour donner un photon et rend ainsi matérielle la particule fugitive. C'est ce que Richard Feynman a dévoilé dans ses schémas d'électrodynamique quantique qu'il voyait plutôt (ou préférait présenter) comme des moyens commodes de calcul que comme une véritable description des processus. Les processus qu'il a mis en évidence dans le phénomène essentiel dans lequel une particule absorbe ou émet un photon sont les suivants :

– un photon se dédouble en particule et antiparticule éphémères du vide

– une particule matérielle se lie à une antiparticule du vide pour donner un photon

– une particule du vide se matérialise en une particule matérielle

On a remarqué que deux particules qui n'échangent pas de photons ne peuvent pas définir l'espace qui les sépare ni le temps local [2]. Une particule individuelle, que l'on concevrait comme isolée du reste du monde, ne serait pas située dans un espace-temps ! Plus grave encore, on a constaté qu'aucune particule n'avait une existence individuelle [3]. Aucune n'existait de façon séparée des autres et du milieu. N'oublions pas que l'équation d'énergie (ce qui est perdu en énergie potentielle est gagné en énergie cinétique) signifie justement un échange permanent entre particule et milieu [4]. Sans liaison avec le vide qui l'entoure ou avec les autres particules (via les photons lumineux), aucune particule ne peut exister [5]. Il suffit de dissocier une particule de son environnement pour le constater (expérience de diffraction par exemple). La particule perd alors la mémoire de son mouvement précédent et toutes les directions deviennent possibles. Celle-ci a perdu son orientation dans l'espace et son mouvement [6].

Comment se déroule en effet l'interaction entre deux particules ? Elle est fondée sur l'émission et l'absorption spontanée d'un photon (réel) par une particule (réelle). Remarquons d'abord qu'il s'agit bien d'un phénomène qui est brutal puisqu'il se déroule sur un temps très court, apparemment ponctuel. Montrons maintenant quelles sont les étapes de ce processus d'absorption et d'émission de photon lumineux par les particules matérielles. Le processus d'absorption, par exemple, est le suivant. Première étape, le photon approchant de la particule se décompose en particule et antiparticule, virtuels tous les deux. Deuxième étape : la particule réelle se lie à l'antiparticule virtuelle pour faire apparaître un nouveau photon virtuel. Bilan : il reste une particule. On dit que « la » particule a absorbé le photon. En réalité, la particule qui reste est l'ancienne particule virtuelle. D'autre part, un photon « réel » a été transformé en photon « virtuel ». On peut en conclure que l'état virtuel était tout aussi réel que l'état de la particule matérielle. De même pour le photon. L'une des remarques qui découlent de cette analyse des diagrammes de Feynman est que la révolution est à la base de la dynamique. Ce n'est pas la même particule qui se maintient avant et après l'émission/absorption de photon. Le vide empli de couples particule/antiparticule virtuelles permet de comprendre qu'il n'y a jamais création ex-nihilo mais matérialisation de particules, d'antiparticules ou de photons du vide. L'énergie d'un choc permet par exemple de matérialiser des particules du vide. Par contre, dans le phénomène d'absorption/émission de photons par la matière, il y a changement brutal. Une particule disparaît et une nouvelle particule apparaît qui a les mêmes caractéristiques mais qui n'est pas individuellement la même. Aucune particule matérielle n'est donc appelée à durer aussi longtemps qu'il y paraissait. L'apparence de durée est un effet des multiples rétroactions du vide, de la matière et de la lumière qui se déroulent dans des temps extrêmement courts. On peut également en conclure que l'on comprend pourquoi une particule est partout dans son nuage de polarisation et saute d'une position à une autre dans ce nuage. En effet, la particule peut disparaître à tout moment et réapparaître en tout point proche où se situe un couple particule/antiparticule virtuel. Une autre conclusion est qu'il n'y a pas de différence de nature entre particule virtuelle et particule réelle. Au cours de l'absorption/émission de photon, le virtuel et le réel s'échangent. Si la particule réelle devient virtuelle, c'est le contraire pour le photon. Le nuage de polarisation est justement constitué de ces couples particule/antiparticule virtuels.

L'univers matière/lumière naît en atteignant un seuil défini par la constante de Planck. Les corpuscules de matière-lumière n'existent que par multiples entiers d'un nombre, la constante d'action de Planck. En dessous des unités de Planck, on a affaire à une autre monde, improprement appelé virtuel, et qui est probablement à la base de ce que l'on appelle la « matière noire », des particules et des photons de durée de vie inférieure. Pour comprendre qu'il s'agit d'un autre monde, il suffit déjà de savoir qu'à ce niveau on trouve des particules et photons fugitifs, qu'on trouve autant d'antiparticules [7] que de particules et que le temps se parcourt aussi bien dans un sens que dans l'autre ! En permanence le vide peut produire autant que l'on veut de paires particule/antiparticule et c'est un véritable bouleversement conceptuel [8] par rapport à l'image que l'on avait du vide. Cet univers infra-Planck est celui que l'on appelle le « vide quantique ». Et il est très loin d'être vide puisque les fluctuations d'énergies sont d'autant plus grandes qu'elles se situent dans des temps réduits. Or la durée n'est plus limité par le temps de Planck. Il y a donc des énergies infinies dans le vide ! Elles sont compensées par des énergies négatives (anti-particules) elles aussi infinies… Nos calculs gravitationnels sur les grandes structures de l'univers nous indiquent d'ailleurs la nécessité de l'existence d'une grande masse de matière jusque là inconnue. Comme nous le verrons dans le paragraphe « matière et vide », c'est l'étude de la physique quantique qui nous amène à concevoir ce qu'est cet univers infra-Planck dévoilé notamment par le physicien Richard Feynman dans « Lumière et matière » et dont l'existence réelle a été soulignée par le physicien Jean-Marc Lévy-Leblond. [9]

Il y a de nombreuses différences entre matière, lumière et vide et pourtant les modes d'action de ces trois domaines sont semblables. Par exemple, dans ces trois domaines on trouve la même dynamique, le même caractère dialectique (à la fois, dynamiquement et contradictoirement ondulatoire et corpusculaire) et les mêmes sauts d'un mode à un autre. C'est pour cela que ces trois domaines rétroagissent. Pourtant, les corpuscules des trois domaines diffèrent. Ce qu'ils ont de commun, c'est le mode de transformation. Quand ils interagissent, ils n'échangent pas des objets mais des niveaux de transformation. Ainsi, en physique, on a longtemps cherché la brique élémentaire dans la chose, c'est-à-dire dans l'atome, la particule ou la molécule de base de la vie, sans la trouver. L'atome n'est pas élémentaire, pas plus que l'électron ou, pour le vivant, la molécule d'ADN. C'est finalement dans les interactions que l'on a trouvé l élémentarité et c'est dans l'action que l'on a pu définir l'unité de base de la matière-lumière : le quantum d'action h. Il est frappant que le quantum ouvre de multiples possibilités pour l'énergie (inversement proportionnelle à la durée de vie). Dans une transformation, c'est la quantité d'action qui ne change pas et non la quantité ou la qualité des corpuscules. La constante de Planck est en effet une action c'est-à-dire un produit d'une énergie et d'un temps. Du coup, la physique est devenue, comme la Biologie, le « jeu des possibles » que constatait le biologiste François Jacob. Le physicien Richard Feynman expose [10] dans sa méthode d' « intégrale de chemin » que, dans la nature, tout se passe comme si on effectuait la somme des quanta correspondant à tous les chemins possibles. Chacun d'entre eux correspond à une transition, c'est-à-dire un saut qualitatif.

Nous avons l'habitude de penser que les atomes et les particules qui nous constituent sont tellement stables que la plupart n'auraient pas changé depuis leur constitution lors d'événements proches d'une singularité improprement appelée « Big Bang ». Nous allons donc contredire cette assertion et montrer que les particules lumineuses et matérielles sont fondamentalement instables et produites par une instabilité et une agitation encore plus grande, celle du vide…., lui-même constitué des mêmes composants [11] que la matière/lumière mais plus éphémères. La base fondamentale du phénomène « matière » n'est autre que l'apparente durabilité d'une structure. Mais cette apparence est fondée sur un réalité, une dynamique qui saute sans cesse d'un être fugitif à un autre en conservant non le corps lui-même mais les propriétés globales de la structure. La physique quantique (étude de la matière à petite échelle, celle des particules) a en effet montré que chaque corpuscule n'est pas dans un seul état mais dans une superposition d'états différents, sans lien de continuité entre eux. Ces états (appelés discrets parce qu'ils ne sont pas jointifs et n'ont pas d'états intermédiaires) ont d'abord été considérés comme des « possibles ». Cependant, ils s'avèrent être des états réels entre lesquels la particule saute brutalement. On ne peut trouver la matière dans un seul de ces états qu'en arrêtant la dynamique, en captant le phénomène par une mesure. Si on mesure un état, on ne peut pas dire si la particule était dans cet état juste avant. Aucune expérience de matière/lumière ne peut distinguer un écart de temps aussi court entre deux états. Toute réception ou émission d'énergie fait sauter la particule d'un état possible dans un autre. Plus l'énergie est importante, plus le temps est court. Même si la particule est isolée d'autres particules, elle saute entre ses états possibles parce qu'elle interagit avec le vide qui contient des fluctuations d'énergie très importantes et très rapides. Il n'y a donc aucun état stable mais seulement des états plus ou moins durables. Le plus durable est celui qui minimise l'énergie du système. L'interprétation du vide quantique (celle d'une agitation fondamentale) amène à celle d'une succession très rapide de transitions entre ces divers états possibles et donc d'une très grande agitation permanente de la particule qui saute entre ces états sur des intervalles de temps imperceptibles à notre échelle. Les « états possibles » n'apparaissent comme une superposition statistique que du fait de cette durée extrêmement courte des transitions. La mesure ne permet que d'atteindre un seul de ces états puisqu'elle distingue un instant d'un autre très proche.

La matière est sans cesse le sujet de transformations brutales, extrêmement rapides [12] qui suppriment chaque particule matérielle avec émission ou absorption d'un photon lumineux et qui permettent ensuite la formation ultra-rapide d'une nouvelle particule ayant les mêmes propriétés. Seul la précision s'est perdue dans ce changement brutal. Pendant la disparition de la particule, il y a émission d'une onde, l'onde de la particule. En somme, les deux manifestations, l'onde et la particule, ne sont pas simultanées mais alternatives. Nous monterons que les deux sont des expressions différentes de la même chose, du mouvement de la densité d'énergie du vide. La durée de disparition de la particule étant extrêmement courte, elle est imperceptible par une expérience de matière/lumière mais perceptible pour les particules éphémères du vide (insensibles à l'échelle de temps de la matière/lumière). C'est ainsi que l'on peut interpréter les phénomènes apparemment les plus étranges de la physique des particules. Il y a émission et absorption d'un photon par la matière lors de la destruction de la structure de la particule, de sa disparition et de son remplacement par une autre particule ayant les mêmes constantes caractéristiques. En somme, si la masse ne change pas plus que la charge ou l'impulsion, si le mouvement existe, la particule n'est tout simplement plus la même à chaque émission/absorption d'un photon ! Les « constantes de la particule » obéissant aux « lois de conservation » ne sont donc pas des témoignages du maintien d'un objet stable mais de la conservation des caractéristiques d'un effet, ce qui n'est pas du tout identique conceptuellement. Les quantités conservées ne caractérisent pas un objet mais une interaction. La rapidité de la transformation a pour conséquence que seuls les états finaux sont perceptibles et non les états intermédiaires qui sont dits « virtuels ».

L'atome est un autre exemple de ce que nous appellerons dans cette étude la rétroaction du lent et du rapide. L ‘atome a longtemps été caractérisé par sa « constance » de structure. Il n'était alors appréhendé que dans ses états stationnaires. La physique quantique a été contrainte de renverser cette vision des choses mais elle en a été elle-même toute tourneboulée. et la transformation « révolutionnaire » entre deux états discrets de l'atome est insensible (imperceptible par une expérience de matière/lumière). Nous remarquerons qu'en fait la particule durable n'est qu'un des états possibles de la particule éphémère. Elle n'est globalement et structurellement durable que par sa capacité à sauter d'un état à un autre, la conservation n'étant qu'un sous-produit apparent du changement rapide. . Là encore, un photon est émis à chaque saut de l'atome d'un état à un autre. Les photons sont des manifestations de la propagation dans le vide de ces « tremblements de terre », ces chocs que subit la matière. La particule isolée n'est en contact qu'avec le vide avec lequel elle échange des photons au travers de sauts qualitatifs brutaux. Tout mouvement et tout changement d'un corpuscule n'est autre qu'un tel échange avec le vide. Ce ne sont donc que des ruptures et la continuité apparente lorsque l'on étudie des moyennes n'est qu'une apparence. La relation entre corpuscules ne peut être une relation continue mais, au contraire, est fondée sur des discontinuités. La physique quantique en remarquant qu'il y a des temps limites de Planck, des distances limites ne permet pas de concevoir l'espace-temps comme un continuum. De même, les interactions ne se produisant que par chocs, la notion d'une température évoluant continûment, c'est-à-dire parcourant toutes les valeurs de températures intermédiaires entre deux valeurs atteinte, n'est pas physique mais seulement due à une opération de moyenne mathématique. Les chocs, les ruptures sont la seule réalité. Certains photons propagent ce choc dans l'espace et certains le propagent dans le temps (photons virtuels). Le vide est sans cesse parcouru par ces photons dont l'énergie et la fréquence indiquent quel choc les a produit. Cette fréquence est mesurée par le rythme des apparitions et disparitions du photon dans le vide, transformé en paires de particules/antiparticules. Nous avons donc un univers qui est parcouru par les clameurs des révolutions passées, présentes et futures ! Ne dites pas que ce n'est pas étonnant et renversant pour une matière que l'on avait tendance à présenter comme solide, robuste, inerte, massive et sans histoire.

On a vu que les particules virtuelles de masse sont partout présentes dans le vide et qu'elles entourent toute particule qui échange sans cesse avec la particule par recombinaison : particule plus antiparticule égale photon égale particule plus antiparticule. Les photons virtuels, eux, interviennent dans les interactions entre deux charges électriques. C'est le cas, par exemple, pour les liaisons électromagnétiques entre atomes au sein de la molécule. Les atomes échangent sans cesse des photons virtuels. L'expression « virtuel » ne doit pas signifier l'absence de réalité mais la durée de vie inférieure au minimum d'existence de la matière dite « stable ». C'est le physicien quantique Dirac qui a découvert que le vide est une mer de particules et d'antiparticules qui apparaissent et disparaissent sans cesse dans des durées très brèves. Cette « mer de Dirac » est à la base du fonctionnement matériel comme on l'exposera par la suite. La matière et la lumière sont des effets produits par l'agitation permanente du vide. La lumière est la composition d'une particule et d'une antiparticule qui se regroupent puis se séparent dans un mouvement cyclique. La matière est un phénomène produit par des apparitions et disparitions successives d'une particule qui n'est pas conservée mais dans lequel les caractéristiques (masse, charges, mouvement,…) sont globalement conservés.

« Au niveau de la microphysique on peut imaginer même le mouvement simple dans l'espace comme disparition de la particule en un point et réapparition en un autre point voisin. (...) Dans cette théorie, il n'y a pas de particule qui garde toujours son identité. ( ..) Le mouvement est ainsi analysé comme une série de recréations et de destructions. » écrit le physicien Eftichios Bitsakis dans « Physique et matérialisme ». La particule se couple avec une antiparticule fugitive du vide. Cette dernière était couplée avec une particule fugitive du vide qui, du coup, est libérée et ainsi de suite.

Lors d'une interaction matière-matière ou matière-lumière, la dynamique passe par une succession d'étapes discontinues, de sauts, appelés transitions virtuelles car elle créent puis annihilent des particules fugitives dites virtuelles qui ont une certaine probabilité d'être crées. Cette nouvelle image de la matière s'oppose à celle d'une matière tranquille et stable car, comme l'expose Gilles Cohen-Tannoudji dans « La Matière-Espace-Temps », ces particules virtuelles sont des transformation d'énergie en matière (matérialisations) et inversement (annihilations) qui nécessitent d'importantes énergies dans des temps très courts, des énergies qui en font des « mini Big-Bang », comme les appelle le physicien. C'est dire que le phénomène de base de la physique est celui de l'explosion et de la rupture.

Des expériences agissant sur l' « écrantage » du champ, sur l' « habillage » de la particule, sur les phénomènes de trou de la structure atomique, de « polarisation » du vide. En physique de la matière, la notion de trou est indispensable, par exemple dans les semi-conducteurs.

Michel Paty dans l'article « Le vide matériel ou la matière crée l'espace »
« Le vide physique est plein de matière virtuelle. (...) l'espace vide est constitué par les propriétés des corps en dehors du lieu de leur localisation, qu'il est le lieu matériel de l'influence des corps sans les corps. (...) l'espace (plein ou vide) et le temps sont des formes de la matière, qui se déploient avec elle, et peuvent difficilement être pensées comme préexistant à elle. (...) l'espace est engendré avec le temps par ce qui advient de la matière. (...) la notion de particule virtuelle accompagne une transformation radicale de la notion de particule. (...) Si le vide est physique, il est nécessairement matière. »

Quelle est la nature de ce monde virtuel et quand l'observe-t-on ? Il s'agit de particules (matière et lumière) du même type (masse, charge, etc) que les particules dites réelles mais ayant un temps beaucoup plus court d'existence au point que l'on ne peut les remarquer qu'indirectement et non par des expériences et des mesures utilisant de la matière réelle. Cela amène nombre d'auteurs à douter de leur existence. Pourtant, de multiples expériences [13] ne peuvent s'interpréter qu'en admettant la réalité de ces virtualités. Au point que nombre de physiciens, comme Lévy-Leblond, ont franchi le pas et les considèrent, non comme des artifices de calcul mais comme des corpuscules véritables. En effet, on ne peut comprendre l'interaction d'une particule avec le milieu qu'en admettant l'existence d'une zone appelée nuage de polarisation constituée par des apparitions et disparitions, dans des temps très réduits, les particules virtuelles. Ce nuage a-t-il une existence physique ? Il suffit d'arracher brutalement le corpuscule à la matière par un photon suffisamment énergétique (effet photoélectrique) pour constater que, dans un temps court, le nuage de polarisation subsiste, qu'il modifie l'espace en maintenant un « trou » de la structure, une zone où une particule du même type ira favorablement se nicher dans la structure. La notion de trou est fondamentale en physique de la matière et le trou dans la structure est aussi existant que le corpuscule. Cela provient de l'existence précaire au sein du vide de particules fugitives, éphémères, qui ont des durées de vie trop courtes pour être mesurées par des expériences matérielles. C'est parce que nous observons le monde de notre fenêtre (matière, lumière) avec ses limites (limites de Planck, vitesse de la lumière notamment) que les particules virtuelles ne nous apparaissent pas réelles. Pourtant, elles sont infiniment plus nombreuses que les particules réelles et porteuses d'énergies beaucoup plus grandes inversement proportionnelles de leurs temps d'existence très brefs. Ce ne sera pas la dernière fois que l'on remarquera la propension de la science à négliger l'intervention des phénomènes rapides au sein des phénomènes lents d'une autre nature et obéissant à d'autres lois. L'exemple le plus fréquemment cité de ce type de situation est apparemment bien connu : la formation d'une bulle de gaz au sein d'un liquide. Il s'agit pourtant d'un changement qualitatif. Le phénomène rapide est la constitution de la bulle de gaz, objet très différent du liquide et n'obéissant pas aux mêmes lois. Le phénomène lent est celui qui permet au liquide d'emmagasiner de l'énergie progressivement.

Un choc entre deux particules permet de créer de nouvelles particules si l'énergie du choc dépasse le double de l'énergie des particules « crées ». Des particules fugitives sont également crées en permanence dans le vide, par la transformation de photons, à condition de disparaître dans un temps suffisamment court, dans une limite définie par les inégalités d'Heisenberg, c'est-à-dire par la conservation de la quantité d'action. Le physicien Gilles Cohen-Tannoudji explique ainsi dans « La Matière-Espace-Temps » : « Le processus de matérialisation de photons en paires électron-positon est quotidiennement observé. » Le positon est l'antimatière de l'électron. Le vide est donc plein de couples particule et antiparticule qui apparaissent et disparaissent brutalement. Le vide n'est pas une absence totale de particules mais une absence de particules dites stables. Mais il suffit d'un apport brutal d'énergie dans une zone suffisamment limitée de l'espace-temps pour « créer » des particules stables ou instables. Il suffit aussi d'un certaine énergie pour produire une étoile, une galaxie, etc…

Les transitions dites quantiques sont des périodes et non des instants. « Les transitions quantiques sont des processus et non pas des sauts instantanés » écrit, dans « Physique et matérialisme », le scientifique et philosophe Eftichios Bitsakis. Depuis la physique relativiste, on sait qu'il n'existe pas d'interaction instantanée. Du coup, celles qui y ressemblent sont en fait des processus ultra-rapides. Ils jouent un rôle fondamental comme vise à le montrer cette étude.

Le caractère révolutionnaire de la matière ne concerne pas seulement la matière et la lumière que l'on observe dans le ciel. Elle concerne également la matière et la lumière, apparemment bien tranquilles, autour de nous. Elle aussi est le produit de bouleversements brutaux et subit d'autres bouleversements encore plus rapides, que nous ne percevons pas à notre échelle. Non seulement, l'émission lumineuse est produite par un choc de la structure matérielle mais cette dernière est elle-même le produit de collisions brutales (absorption de rayonnement). Un rayonnement très puissant dans un temps très court produit de la matière. La physique quantique a développé cette remarque au plus haut degré. Au niveau microscopique, le physicien Cohen-Tannoudji parle à ce propos de « mini big bang » dans son ouvrage « La Matière-Espace-Temps ». Chacun connaît la fameuse relation d'Einstein E = mc² qui relie énergie et masse de matière. Elle signifie que la matière peut se transformer en énergie comme dans l'étoile ou la bombe atomique. Mais elle signifie aussi que l'énergie dans le vide peut se transformer en matière. C'est encore plus bouleversant quand on y réfléchit avec les anciens schémas de la physique car de la matière sort ainsi du vide. Les physiciens parlent de matérialisation ! Les voilà les « mini big bang » puisque le fameux choc prétendument « originel » auquel on attribue la formation de l'univers n'est rien d'autre qu'une grande transformation d'énergie du vide en masse de matière.

La particule est un produit de multiples interactions avec le vide qui donnent des apparitions et des disparitions de particules fugitives (les corpuscules virtuels) qui déterminent notamment les frontières de la particule et les interactions dans la zone proche (ou nuage de polarisation). La particule que l'on croyait élémentaire n'est pas un objet simple, pas plus que la cellule ou l'homme. C'est l'interaction de structure qui est élémentaire. Les trois phénomènes sont fondés sur une interaction permanente avec le milieu et cette interaction est un processus dynamique. Nous n'entrons pas ici dans la description des processus car il s'agit seulement dans cette introduction de démolir quelques a prioris idéologiques et de tisser les grandes lignes de la réflexion. La matière est processus et non objet, un processus dynamique et non un substrat fixe.

« Il semble bien, en effet, qu'on ne peut donner aucune définition univoque du corpuscule élémentaire et que, par suite, il vaut sans doute mieux ne pas introduire cette expression en physique quantique. » écrivait Louis de Broglie dans « Introduction à la nouvelle théorie des particules de Vigier et ses collaborateurs ». « Selon l'hypothèse réductionniste, le niveau le plus fondamental est censé être le plus simple. La plus grande simplification peut être recherchée en étudiant les plus petites parties constitutives de l'univers (l'histoire de la physique des particules a montré qu'en réalité ces plus petites parties constitutives n'ont rien de simple. (...) Le plus fondamental n'est pas nécessairement le plus simple. (...) L'identité d'une particule est inhérente à la manière dont elle interagit. » écrit Gilles Cohen-Tannoudji dans « La Matière-Espace-Temps »

Le vide n'est plus défini par l'absence totale de particules ou de rayonnement, ni par l'absence d'énergie. Au contraire, comme l'expose Gilles Cohen-Tannoudji dans « La Matière-Espace-Temps », « Le vide subit des fluctuations d'énergie permettant la création et l'annihilation de particules et de photons lumineux. Le vide interagit en permanence avec la matière et la lumière. »

Edgard Gunzig écrit dans « Les théories quantiques des champs » (ouvrage collectif « Le vide ») : « Une particule virtuelle a certes les mêmes propriétés (charge électrique, spin, …) qu'une particule réelle, mais elle n'est pas contrainte par les relations relativistes entre masse, impulsion et énergie qui définissent l'existence physique d'une particule réelle. »

« TRANSITIONS DE PHASE, SYMETRIE ET VIDE

« Pour la compréhension du vide « les physiciens ont été guidés par l'effet collectif par excellence en physico-chimie, la transition de phase. Qu'il s'agisse du simple phénomène de cristallisation de l'eau, de l'aimantation d'un ferro-aimant ou de la formation de paires d'électrons de Cooper responsables de la supraconductivité, le phénomène macroscopique intrinsèquement collectif que constitue ne transition de phase, a les propriétés recherchées. Dans tous les cas, elle se solde par la modification d'une symétrie. (...) La symétrie initiale n'est cependant pas détruite, seulement dissimulée (...) Dans tous ces cas, apparaît une nouvelle propriété macroscopique mesurable directement issue du caractère collectif de la réorganisation des degrés internes de liberté du système. Et enfin, dans tous les cas, la transition a lieu à un seuil critique de température qui est directement lié à une propriété thermodynamique : la tendance d'un système à adopter la configuration correspondant à la minimisation de l'énergie interne. En l'occurrence, sous la température critique, l'état à symétrie dissimulée sera énergétiquement plus avantageux que l'état désordonné. »

Jan-Willem van Holten explique dans « Théorie de jauge et unification des interactions fondamentales » dans l'ouvrage collectif « Le vide » que « La création de paires (particule/antiparticule dans le vide) s'observe souvent en laboratoire, par exemple lorsque des particules chargées de haute énergie, électrons ou muons, traversent un champ électrique externe puissant. Si le champ ralentit suffisamment violemment la particule chargée, celle-ci est forcée de lui céder un peu de son énergie qui est utilisée pour une conversion en une paire électron/positon ou une autre paire particule/antiparticule. »
« Considérons une particule chargée comme un électron, en mouvement à travers l'espace vide. Le mot vide signifie ici qu'aucune autre particule observable et localisée n'est présente. Mais il y a toujours la mer de particules et d'antiparticules virtuelles, qui font partie de la configuration vide de ce champ. Ces particules (virtuelles) sentent la charge de l'électron physique, qui exerce une force répulsive sur les particules virtuelles dont la charge a le même signe, et une force attractive sur celles dont la charge est de signe opposé. (...) la densité de charges positives est en moyenne plus élevée près de l'électron, et tend à occulter la charge négative de ce dernier. (...) Il est courant de présenter cet effet comme une renormalisation de la charge par les fluctuations du vide. (...) C'est le phénomène de la polarisation du vide et de la charge habillée. »
« Les choses se compliquent avec les interactions de couleur. (...) Les gluons de l'interaction forte sont porteurs de charges de couleur, et contribuent ainsi à la polarisation du vide en charges de couleur. (...) Il est ainsi impossible de créer des charges de couleur libres à des distances macroscopiques l'une de l'autre : ces charges de couleur sont donc en permanence confinées (...) La brisure de symétrie implique un changement qualitatif : des particules initialement sans masse deviennent massives, tandis que des charges qui constituaient des degrés de liberté bien réels, dynamiques, deviennent inobservables à grande échelle. Ainsi la brisure de symétrie un mécanisme pour les transitions de phase (...). »

Comment le vide produit la matière ? Jan-Willem van Holten expose dans « Théorie de jauge et unification des interactions fondamentales » :
« La conclusion de cette histoire est que particules et antiparticules peuvent être présentes dans le vide pour de brèves périodes de temps, durant lesquelles elles ne contribuent pas à l'énergie du système. Ces particules ne peuvent être observées individuellement (...) Mais elles exercent un effet collectif, qui va changer les propriétés, les particules virtuelles contribuent de façon observable à une renormalisation des forces électromagnétiques et des autres forces. (...) Si le vide se comporte comme un milieu matériel à cause des particules virtuelles, ses propriétés dépendront du nombre et du type des particules existant dans la nature. (...) Une modification importante du vide serait un phénomène très semblable à celui que l'on trouve normalement associé aux transitions de phase : on observerait un changement qualitatif dans la nature d'un milieu comme lors du passage de l'eau liquide à la glace solide si l'on abaisse la température en extrayant de l'énergie, ou du liquide à la vapeur si l'on élève la température en apportant de l'énergie sous forme de chaleur. Et de fait une sorte de transition de phase pourrait se produire dans le milieu virtuel du vide, si la température et/ou la densité de matière et de rayonnement étaient portées à un niveau suffisant. On pense que de telles transitions de phase se sont produites dans l'univers primitif lorsqu'il était encore très chaud et très dense. »

On a découvert en effet que la structuration de la matière avait une histoire, qu'elle était un produit du vide quantique.

C'est vrai d'un bien plus grand nombre de notions physiques comme matière et vide, onde et particule, masse et énergie, espace et temps qui sont également des notions contradictoires au sens dialectique. L'une est dans l'autre et réciproquement. L'une détruit l'autre et inversement.

C'est le cycle ordre-désordre qui permet, par exemple, de comprendre la double nature corpuscule/onde de la matière. Un physicien comme Gilles Cohen-Tannoudji parle à propos de la destruction/reconstruction de la particule des quantités de « micro big bang. » ayant lieu en permanence dans le vide. C'est le choc qui produit la structure globale. En effet, il montre que la matière se détruit et se reconstruit sans cesse dans le vide. C'est l'équivalent du « Big Bang » c'est-à-dire de la construction de matière à partir d'énergie du vide complétée par la construction d'énergie du vide à partir de la matière. Tel est le cycle onde/corpuscule de la matière.

Le vide peut produire de l'énergie, en quantité arbitraire, à tout moment et à partir de rien (sans conservation) à condition de le faire dans un temps bref et en rendant l'énergie empruntée (fluctuations quantiques du vide). Il peut produire et annihiler des particules (dites virtuelles) à condition qu'elles soient précaires. La structure de la particule de matière n'est globalement conservée que parce qu'elle s'appuie sur l'interaction réception/émission d'énergie avec le vide désordonné. La conservation a pour clef la transformation brutale (sur un temps court). L'ordre est bâti sur le désordre. On a beaucoup réfléchi sur la divergence de ces deux sciences de la matière (relativité et quantique). Sur ce point, elles convergent : comme le relèvent nombre de physiciens, l'énergie du vide quantique relativiste est la clef de leur unification. La relativité part de la remarque fondamentale qu'il n'existe pas de transmission d'information instantanée. Aussi rapide que soit l'interaction, elle ne se réalise pas instantanément. Il y a donc un phénomène relativement rapide qui interagit avec un phénomène plus lent. La physique quantique montre que tout phénomène a un grain minimum. On ne peut descendre en dessous. Mais ce grain n'est pas un objet ni un quanta d'énergie mais un quanta d'action. L'action est donc la base de la nature matérielle. D'autre part, elle constate qu'il n'y a pas de possibilité de concevoir isolément les objets. La particule est inséparable de son onde, c'est-à-dire le court (en distance) du long.

La stabilité apparente globale de la particule matérielle est fondée non sur un état stationnaire mais sur un éventail d'états possibles entre lesquels. La particule saute sans cesse entre ces états dans des intervalles de temps trop courts pour être mesurés. La régularité apparente du mécanisme lumineux assimilé à un mécanisme périodique est fondée sur des changements tout aussi brutaux. Le photon lumineux se transforme de façon aléatoire et rapide en un couple de particule et antiparticule virtuels, c'est-à-dire éphémères. L'agitation du vide qui peut produire quantité de particules virtuelles est donc à la base des phénomènes de la matière et de la lumière. C'est l'agitation qui produit les structures.

Cela signifie que les règles qui fondaient la conservation de la structure ont servi à sa destruction comme à sa transformation. Quelles sont ces contradictions internes de la matière ? Au sein du vide, on assiste en permanence à la matérialisation/dématérialisation encore appelée polarisation. La polarisation du vide, comme polarisation de la lumière, signifie la formation de deux pôles électriques au sein d'un espace qui était neutre puis leur disparition, et ainsi de suite. La particule (et l'antiparticule d'électricité opposée) voit sans cesse sa limite détruite et reconstruite à la frontière du vide par interaction avec le processus de polarisation du vide. Les particules sont sans cesse mises en relation par des particules d'interaction (comme le photon lumineux entre électrons). Mais ces particules sont elles-mêmes sans cesse décomposées en couples particule/antiparticule (électron et antiélectron pour la photon, quark et antiquark pour le méson Pi). Les électrons sont sans cesse arrachés ou attirés par la structure atomique. Les molécules s'attachent et se détachent à grande vitesse au sein de la biologie du vivant. Le processus de la vie au sein de la cellule est fondé sur un combat permanent entre gènes et protéines de la vie et de la mort. Le message cérébral sert sans cesse à structurer des réseaux neuronaux puis à les déstructurer. Le cerveau est sans cesse coordonné puis sans cesse désordonné par ce que l'on appelle une « réinitialisation ». Dans chaque cas, les processus de structuration de la matière sont couplés avec des processus de déstructuration et les deux sont inséparables.

La conservation de la particule, matérielle ou lumineuse, nécessite sa transformation en un temps tellement court que seules sont perçues les étapes de type onde ou corpuscule. C'est ainsi que les divers niveaux d'énergie de la particule semblent s'accumuler en une superposition d'états, le temps de passage entre ces états étant trop bref pour être perceptible.

Le mouvement « élémentaire » est le vide agité. Le mouvement complexe est le retardement du désordre du vide : la matière. La vie est le retardement du désordre de la matière, de la mort. L'homme est le retardement de l'horloge du développement. Un retard dans le désordre, c'est un ordre, c'est-à-dire une structuration spontanée issue du désordre.

C'est le fugitif (les particules éphémères du vide) qui bâtit la particule matérielle (durable). Ces particules sont également un ordre fondé sur un désordre : celui des fluctuations quantiques du vide. Pas de structure matérielle sans des particules et antiparticules éphémères qui apparaissent et disparaissent et interagissent sans cesse. Le vide quantique produit un écrantage des particules (effet qui empêche de s'approcher trop près d'une particule) alors que l'interaction forte produit un anti-écrantage (effet qui empêche les nucléons de s'éloigner du noyau). La particule quantique en interaction permanente avec le vide (nuage de polarisation) est aussi probabiliste que la molécule au sein d'un gaz.

Les constantes naturelles liées à une particule (charge, masse, moment de l'électron ou vitesse du photon lumineux) apparaissent encore à beaucoup de scientifiques et de penseurs comme les bases d'un « ordre naturel ». Ils considèrent souvent ces constantes comme préétablies dans la nature. Tout le monde connaît la fameuse « vitesse de la lumière » c, d'environ 300.000 km par seconde. Elle apparaît comme une des « constantes » les plus fondamentales de la matière. Tout se passe comme si la matière se déplaçait en ligne droite à vitesse inchangée c. « Tout se passait comme si »…, jusqu'à ce que les physiciens étudient de façon plus fine la lumière. Ainsi, le physicien Richard Feynman a montré que la ligne droite n'était qu'une probabilité moyenne obtenue par une infinité de parcours possibles autour de cette trajectoire apparemment en ligne droite. La vitesse de la lumière n'est pas constante dans ces parcours multiples. Elle peut être dépassée sur de petites distances par un petit nombre de photons lumineux (voir l'ouvrage « Lumière et matière » de Richard Feynman). La vitesse d'un photon lors d'un parcours n'est pas bloquée sur une constante dont la nature bloque par avance la valeur. Cette vitesse se réalise comme la résultante de multiples parcours autour de ligne droite. Cela signifie que la vitesse est obtenue comme produit d'un processus naturel, à chaque instant et dans chaque lieu. Il n'existe pas dans la nature de vitesse constante de la lumière inscrite dans le marbre. Ce mode de fonctionnement comprend de nombreuses interactions au hasard dont cette « constante » n'est que la résultante. La raison de ceci est que le photon lui-même n'est indépendant du milieu. Il n'est pas seulement un objet qui se déplace mais en même temps une réalité qui se transforme et se construit. Cela est dû au fait que le photon lumineux doit à son interaction avec le milieu d'être une horloge marquant un rythme et c'est ce rythme qui détermine son mouvement dans le temps et dans l'espace.

Ce n'est pas seulement la vitesse de la lumière qui perd son statut de grandeur préétablie. Ce sont toutes les grandeurs qu'on disait invariables : la masse d'une particule ou sa charge, etc... Ces quantités ne sont pas préexistantes mais sans cesse reconstruites et détruites. Les scientifiques ne le pensaient pas. Comme nous verrons, ce sont des expériences dérangeantes de l'étude des particules et de la lumière qui les ont contraint à ces révisions déchirantes. La physique a été amenée à une nouvelle approche scientifique. Les lois, les valeurs des constantes sont le produit du changement permanent et non de la fixité. Elles sont sans cesse reconstruites par le fonctionnement réel et non établies par avance. La nature est dynamique. Elle ne peut être interprétée avec des images statiques comme la vitesse constante, la masse constante, la charge constante ou l'électron égal à lui-même. Les fameuses « lois de conservation » découlent en fait de lois de transformation [14] fondées sur des interactions multiples au hasard Pour en donner une image, il convient plutôt de comparer à la manière dont l'agitation des molécules au hasard établit les lois de la thermodynamique. Ludwig Boltzmann et Willard Gibbs ont en effet montré que la thermodynamique statistique qui détermine température et pression dans les gaz est fondée sur une agitation désordonnée et aléatoire. Le désordre des chocs entre molécules et parois d'un espace de volume fixé produit un ordre, la température et la pression moyens du gaz. C'est ce que font remarquer les physiciens Banesh Hoffman et Michel Paty dans « L'étrange histoire des quanta » rappelant que Louis de Broglie parlait déjà de « thermodynamique cachée des particules » : « La température est l'effet moyen des énergies en jeu (des molécules) , la pression résulte des forces d'impact des molécules sur les parois, etc. De même, selon cette conception, les quantités calculées par la théorie quantique –fonctions d'onde, observables, etc – seraient des effets moyens résultant de mouvements internes des systèmes, plus fins que les phénomènes quantiques observés. » Ces auteurs faisaient également remarquer que cela nécessitait une autre révision déchirante concernant la séparabilité de la particule. Et une troisième concernant l'existence de la particule dans le temps et dans l'espace. Ces modifications de l'image du monde matériel consistaient à considérer que ce sont les particules qui produisent le temps et l'espace dans lequel elles évoluent. D'autre part, cela signifie un changement considérable concernant la relation de la matière et du vide. Loin d'être antinomiques les deux seraient interpénétrés à l'infini, constructifs et destructifs à l'infini, pas des boucles de rétroaction. Ils poursuivent : « Ces électrons, ainsi que les autres particules fondamentales, n'existent pas dans l'espace et le temps. Ce sont l'espace et le temps qui existent en fonction d'eux. (...) Si l'espace et le temps ne sont pas les matériaux de base de l'univers, mais simplement des effets moyens statistiques, d'une multitude d'entités plus fondamentales et plus profondes, il ne paraît plus du tout étrange que ces entités fondamentales, lorsqu'on imagine leur existence dans l'espace et le temps, exhibent des caractéristiques aussi peu appropriées que celle de l'onde ou de la particule. (...) Cette notion d'effets moyens qui n'appartiennent pas à l'individuel n'est pas nouvelle pour la science. La température si réelle et précise que nous pouvons la lire sur un thermomètre ordinaire, n'est qu'un effet statistique des mouvements moléculaires désordonnés. »

Les particules n'auraient donc pas d'autre réalité que statistique. Les physiciens Banesh Hoffman et Michel Paty écrivent ainsi dans « L'étrange histoire des quanta » : « Le fait de considérer qu'une particule quantique a une certaine probabilité d'être dans un état donné ne doit pas être considéré comme la traduction d'une ignorance mais celle d'une propriété de la particule. » Comment une particule peut-elle être créée par un phénomène statistique et quelle est l'agitation qui peut la produire ? Trouve-t-on au sein des particules une agitation du même type que le mouvement brownien moléculaire au sein d'un gaz ? Les structures matérielles ne sont jamais identiques à elles-mêmes. Elles ne sont jamais dans un état fixe mais possèdent une série d'états possibles entre lesquels la particule est libre [15] de sauter [16]. Il y a donc un mouvement externe mais aussi un mouvement interne à tous les niveaux. Cependant, on pourrait se dire qu'à un instant fixe, il y a bien un état défini individuellement pour la particule. Le changement ne serait ainsi que la succession des états fixes. Un peu comme si la réalité était considérée comme une succession de photos, un film ! Dans « Initiation à la physique », Erwin Schrödinger pose la question : « un système doit bien être dans un certain état ? » et il répond non, le système ne peut à aucun moment être décrit par un seul état. Il faut inclure tous les états possibles de la particule. La dynamique n'est pas la mise en mouvement d'images statiques. L'état de la particule n'est figé que par la mort de la dynamique, au moment de la mesure [17]. On a capté la particule mais elle ne suit plus son propre mouvement. La structure n'est pas concevable en dehors de la dynamique qui lui a donné naissance (première révolution), dynamique qui dit aussi la détruire (deuxième révolution). Une structure matérielle existe de façon durable tant que la dynamique interne des changements d'état fonctionne sans arrêt. C'est à elle que la plus durable des particules matérielles, le proton, doit sa relative solidité à des échanges permanents d'énergies entre ses composants, les quarks. Cela signifie que les quarks échangent leurs états en permanence par des sauts. Cette dynamique interne minimise tellement l'énergie des couplages entre quarks que ceux-ci ne peuvent se séparer. Les structures matérielles ne cessent d'émettre et d'absorber des grains de rayonnement de façon désordonnée et imprédictible. Elles ne cessent d'interagir avec le milieu (vide et autres particules). Aucune structure de la matière n'existe indépendamment du milieu. Sans énergie échangée avec le milieu aucune particule n'est durable.

La matière n'est pas formée d'entités existant de façon indépendantes. C'est une structure globale du monde et elle n'est pas caractérisée par la fixité ni par l'immobilité interne. Comment une particule qui reçoit et émet sans cesse du rayonnement (photons) pourrait-elle se conserver et maintenir ses constantes sur une durée importante ? La raison en est qu'elle perd et qu'elle gagne exactement les niveaux d'énergie correspondants aux divers états possibles de la particule. Elle saute donc d'un état à l'autre à chaque émission ou réception de photons. La stabilité globale de la structure est fondamentalement liée à la transformation interne reposant sur des sauts d'un état à l'autre [18]. La durabilité est fondée sur la dynamique de transformation interne. Il en va de même à tous les niveaux de la matière [19]. On croit que la table sur laquelle on écrit ne bouge pas les molécules y sont agitées en permanence, se détachent sans cesse de la surface et se transforment sans cesse. On croit que la lune suit tranquillement une trajectoire unique. S'il en était ainsi elle dérayerait à proximité de n'importe quelle masse. En fait, elle saute sans cesse d'une trajectoire à une autre très proche, toutes solutions de son équation gravitationnelle [20]. On croit que l'étoile luit tranquillement dans le ciel alors qu'elle est le siège de réactions thermonucléaires en chaîne productrices d'énergie équivalente à une quantité de bombes atomiques H. Et l'étoile n'est pas stable. Elle a une histoire faite de plusieurs révolutions à certains seuils de son existence où son fonctionnement et le type d »explosions nucléaires se modifient qualitativement. L'apparente stabilité est toujours le produit d'une agitation au niveau inférieur. La géodynamique du globe nous a appris à chercher dans l'apparente stabilité la transformation cachée qui se produit à une autre échelle de temps. Les montagnes et vallées qui nous semblent former un paysage immuable ont été formés lors d'épisodes brutaux mais rares et qui nous sont imperceptibles. Nous verrons comment la matière et le vide sont l'objet de transformations radicales et brutales qui ont lieu de façon quasi instantanée. Ces changements brutaux sont possibles parce que l'ordre matériel n'est pas fondé sur la stabilité mais sur l'agitation.

La matière est un ordre bâti sur le désordre autant qu'un désordre bâti sur un ordre. Ceux qui se souviennent de leur cours de physique, risquent d'être choqués qu'on prétende ici que proton et électron, qu'on leur a décrit comme stables et le plus souvent dans un état stationnaire, soient décrits ici comme soumis à une agitation permanente menant à des transformations brutales et révolutionnaires. Par exemple, la « stabilité » du noyau d'un atome provient du fait que ses composants neutrons et protons échangent sans cesse leurs états via des corpuscules appelés les mésons. Le neutron devient proton [21] et inversement. Dans ce cas comme dans toute la dynamique matérielle, on constate que toutes les particules possèdent plusieurs états possibles et passent sans cesse d'un état à un autre par des sauts. La stabilité globale nécessite, rappelons-le, une cascade de rétroactions menant la particule à une succession d'états en boucle. La durabilité de la structure provient de sauts incessants entre divers états de la particule. Par exemple, les particules que l'on va appeler de spin un ont trois états possibles et vont sans cesse sauter de l'un à l'autre. Ces sauts sont brutaux et imprédictibles. Il n'est possible que de trouver une certaine probabilité qu'une particule dans un certain état passe dans un autre état. Cette probabilité calculable montre qu'il y a bien une loi, mais l'impossibilité de prédire exactement la suite de l'évolution montre que la structure est fondée sur une agitation. On connaît ce type de situation probabiliste avec les lois d'un gaz de molécules car les lois y sont fondées sur une agitation moléculaire appelé le mouvement brownien. Entre les divers états de la particule, il n'y a aucune étape intermédiaire entre ces états discrets, c'est-à-dire discontinus, de la particule. Là où on imaginait la stabilité des particules, on trouve un ordre global dynamique qui fait sans cesse sauter la condition interne d'un état à un autre. Tous les états possibles sont d'avance définis mais l'état à venir n'est pas prédictible exactement. Ce mécanisme se vérifie pour toutes les particules ou les combinaisons de particules. Toutes ont plusieurs états possibles et sautent d'un état à un autre et toutes ont un avenir en partie imprédictible. Même inerte, la matière est sujette à une agitation interne permanente. Or ces états de la particule ne sont pas seulement discrets mais connectés avec le milieu. Ainsi, l'électron met en commun des états d'énergie avec des particules qui lui sont corrélées. Il est également en relation permanente avec le milieu (vide).

Les particules comme les atomes, les molécules ou les espèces vivantes sont les restes et les témoignages des révolutions de l'histoire de l'univers. Ils ont été produits par des révolutions et, de plus, ils sont amenés à les reproduire dans leur fonctionnement. En effet, la matière n'a pas été crée une fois [22] pour toutes au sein du vide. Elle l'est sans cesse. Il aurait pu y avoir un monde matériel issu de transformation brutale mais donnant naissance à un univers assez figé. Ce n'est pas le cas. Il ne s'agit pas d'objets fixes ni produits une fois pour toutes puis conservés à l'identique. Ces structures n'existent que parce que la dynamique les détruit et les reproduit en permanence. Cette dynamique est fondée sur l'interaction avec le milieu et par les autres structures. Aucune particule n'existe indépendamment du milieu, du vide et des autres particules. La physique quantique a buté pendant de longues années sur toutes les tentatives de considérer les particules comme des objets indépendants du vide (considéré comme l'absence d'énergie, de matière et de rayonnement) et séparables les uns des autres. Les nouvelles notions de la physique quantique (corrélation, intrication, décohérence [23]) sont au contraire fondées sur la reconnaissance qu'il n'existe aucune « chose » dans la matière mais seulement des processus dynamiques de structuration et déstructuration du vide qui sont interactifs. C'est la source de tous les phénomènes d'emmêlement des particules qui ont tant choqué les physiciens quantiques. Le vide est le milieu commun des particules qui interagissent et les particules en relation via les photons lumineux ne peuvent plus du coup être considérées comme indépendantes.

Les mécanismes matériels ressemblent bien plus qu'on ne le croyait aux processus qui régissent les transformations des sociétés humaines. Comme eux ils sont fondés sur des transformations qui concernent les lois de grands groupes en non le contenu élémentaire [24] de chacun d'entre eux. Aucune des lois quantiques ne peut être interprétée en termes de « comment la particule sait » qu'elle doit faire ceci où cela. Comment le photon sait qu'il va être réfléchi ou réfracté en passant dans un milieu nouveau (par exemple de l'air dans l'eau ou en traversant un morceau de verre) ? Comment la molécule individuelle sait qu'elle doit fonctionner comme dans un gaz, comme dans un liquide ou comme dans un solide ? Comment la goutte d'eau individuelle du nuage sait-elle si elle doit monter ou descendre pour que le nuage se maintienne globalement ? Ce n'est pas une question individuelle. Ce n'est pas le contenu chimique de l'individu qui change d'un état à l'autre, c'est un changement structurel d'ensemble. C'est une structure globale des interactions qui détermine l'état de la matière et non sa composition. De même ce n'est pas la composition de l'étoile qui fait qu'elle subit des réactions thermonucléaires contrairement à la planète mais un seuil de taille.

La nature a longtemps été prise pour un ensemble d'objets fixes pouvant être mis en mouvement, modifiés ou cassés par une force externe. Cette image statique, stable, sans dynamique interne, est morte. Dans tous les domaines, elle fait place à une image dynamique. Au lieu de "choses" fixes, on fait appel à des structures issues de l'agitation sous-jacente. La structure n'est qu'un mode selon lequel l'ensemble est globalement stable bien qu'en continuel changement. Les molécules du nuage changent, bougent, échangent de l'énergie, et cela même quand l'apparence extérieure du nuage reste inchangée. La stabilité de température n'est pas fondée sur l'absence d'agitation mais sur une agitation moyenne. Les éléments composants changent eux-même sans cesse, comme c'est le cas des cellules d'un être vivants, ou encore de ses molécules formant ses composants biochimiques. Il n'y a pas si longtemps, on voyait encore la matière comme une construction basée sur des objets fixes. Avec des atomes, on fabriquait des molécules. Avec des électrons et des noyaux, on fabriquait des atomes. Avec des neutrons et des protons, on fabriquait des noyaux atomiques. Les particules élémentaires semblaient des objets fixes, capables seulement de se déplacer, de s'attirer, de se repousser, de se rapprocher ou de se choquer. L'électron était un individu auquel arrivait des rencontres comme à n'importe quel individu, rencontres au travers desquelles il restait lui-même. On se demandait seulement si l'électron était élémentaire ou composite. Les caractéristiques de l'électron (masse, charge, vitesse, énergie, etc... ) semblaient être la preuve de la conservation d'un même objet au cours du temps.

Aujourd'hui, il en va tout autrement. L'électron n'est plus du tout vu comme un objet individuel, existant de manière stable à une seule échelle, mais comme un phénomène, une propriété qui se déplace, qui saut d'une particule à une autre au sein d'un nuage de points. C'est l'agitation du vide qui permet l'existence de l'électron comme des autres particules, agitation qui se manifeste par des apparitions et des disparitions de couples particule/antiparticule. Le noyau de l'atome lui-même n'existe que du fait d'une incroyable agitation formée non seulement par le vide mais par des myriades de particules éphémères et par des multiples échanges entre protons et neutrons et non par une fixité des neutrons et des protons.

Il apparaît donc aujourd'hui que la nature, à toutes les échelles, est formée de structures et non d'objets, des structures dissipatives donc fondées sur une agitation et tirant leur énergie du désordre sous-jacent, ces structures, espèces de membranes entourant des domaines, étant les seuils entre des désordres à plusieurs niveaux. Les désordres sont eux-mêmes le produit du combat permanent des forces contradictoires, des tendances opposées qui l'emportent ou s'inhibent mutuellement alternativement. Les constantes ne sont rien d'autre que les seuils entre deux désordres.

Le nuage, la ville, l'homme, le noyau atomique, l'électron, la plante, la bactérie sont de telles structures dissipatives qui ne peuvent nullement être décrits comme des objets indépendants, individuels et fixes mais, au contraire, comme des produits d'une agitation extérieure permanente. Sans l'agitation du vide, pas de matière. Sans agitation des molécules, pas de structures des cristaux. Sans agitation des échanges commerciaux et de la production, pas de villes.

Voici se qu'écrit James Trefil de l'Université George Mason de Virginie : "Bien qu'on se représente habituellement le noyau comme un ensemble statique de protons et de neutrons, il est en réalité un lieu essentiellement dynamique. Des particules de toutes sortes s'y déplacent en tous sens et à toute allure, se percutant les une les autres, subissant créations et destructions selon que leur énergies sont converties en masse ou leurs masses en énergie. (...) Depuis les années cinquante, plus de deux cents de ces particules ont été découvertes à l'intérieur du noyau."

Dans cette dynamique, la notion d'individu isolé ou d'équilibre statique n'a pas de sens. Il n'y a pas plus de noyau fixe ou de proton fixe que d'électron fixe, envisageable en tant qu'individu égal à lui-même. L'individu particule n'existe pas plus que l'étoile isolée, sans galaxie et amas de galaxie. Pas plus que l'homme isolé de son univers humain, social, culturel et matériel.

Donnons un exemple de l'interprétation de la physique de la matière qui découle de cette vision de la matière-vide :

La matière dite réelle est, rappelons-le, de la matière virtuelle qui a reçu un boson de Higgs, c'est-à-dire une énergie. Le vide est formé de quantons de matière virtuelle. Les particules réelles échangent des photons en séparant les eux pôles du photon : les deux quantons virtuels (électron et positron virtuels).

Le spin d'une particule pourrait être lié au vide quantique de la manière suivante : il représenterait non une rotation de la particule mais une rotation du vide (constitué de particules et d'antiparticules virtuelles) autour de la particule. Ces quantons virtuels repoussés par la particule auraient un tel mouvement de rotation soit dans un sens soit dans l'autre, ce qui donnerait les spins up et down.

Le spin signifie que chaque électron peut être considéré comme un minuscule aimant. Bizarre quand on sait qu'une seule charge électrique ne peut pas être considérée comme un aimant. Mais, en fait, chaque électron de matière est entouré de quanta virtuels, les plus proches étant d'électricité opposée, ont tendance à se coupler avec l'électron de matière, créant ce fameux dipôle qui donne un champ magnétique et donc un spin de rotation. Et, en même temps, le couplage entre l'électron de matière et un positron virtuel produisent un photon qui est émis. En se liant à l'électron de matière, le positron virtuel a relâché un électron virtuel avec lequel il était couplé et qui reçoit l'énergie de l'émission du photon, ce qui lui permet de devenir, lui, l'électron de matière, alors que l'ancien électron de matière est, lui, devenu électron virtuel. Nous avons là une description de la formation des aimants de matière qui froment le spin mais également l'explication des sauts de l'électron. Il ne s'agit pas de sauts en tant que mouvement mais de sauts de la propriété « de matière » d'une particule à une autre.

Atome : rétroaction de la matière/lumière et du vide (de la microphysique à l'astrophysique)

* 01- Les contradictions des quanta

* 02- La matière, émergence de structure au sein du vide

* 03- Matière et lumière dans le vide

* 04- Le vide, … pas si vide

* 05- Le vide destructeur/constructeur de la matière

* 06- La matière/lumière/vide : dialectique du positif et du négatif

* 07- La construction de l'espace-temps par la matière/lumière

* 08- Lumière et matière, des lois issues du vide

* 09- Matière noire, énergie noire : le chaînon manquant ?

* 10- Les bulles de vide et la matière

* 11- Où en est l'unification quantique/relativité

* 12- La symétrie brisée

* 13- Qu'est-ce que la rupture spontanée de symétrie ?

* 14- De l'astrophysique à la microphysique, ou la rétroaction d'échelle

* 15- Qu'est-ce que la gravitation ?

* 16- Big Bang ou pas Big Bang ?

* 17- Qu'est-ce que la relativité d'Einstein ?

* 18- Qu'est-ce que l'atome ?

* 19- Qu'est-ce que l'antimatière ?

* 20- Qu'est-ce que le vide ?

* 21- Qu'est-ce que le spin d'une particule ?

* 22- Qu'est-ce que l'irréversibilité ?

http://www.matierevolution.fr/spip.php?article568'>* 23- Qu'est-ce que la dualité onde-corpuscule

* 26- Le quanta ou la mort programmée du continu en physique

* 25- Lumière quantique

* 26- La discontinuité de la lumière

* 27- Qu'est-ce que la vitesse de la lumière c et est-elle indépassable ?

* 28- Les discontinuités révolutionnaires de la matière

* 30- Qu'est-ce qu'un système dynamique ?

* 31- Qu'est-ce qu'une transition de phase ?

* 32- Quelques notions de physique moderne

* 33- Qu'est-ce que le temps ?

* 34- Henri Poincaré et le temps

* 35- La physique de l'état granulaire

* 36- Aujourd'hui, qu'est-ce que la matière ?

* 37- Qu'est-ce que la rupture de symétrie (ou brisure spontanée de symétrie) ?

* 38- Des structures émergentes au lieu d'objets fixes

* 39- Conclusions provisoires sur la structure de la matière

* 40- L'idée du non-linéaire

*41- Univers fractal

*42- Qu'est-ce qu'un photon ?

*43- Physique quantique et philosophie

[1] Temps le plus court de la matière/lumière égal à dix fois un milliardième de milliardième de milliardième de milliardième de milliardième de seconde.

[2] Le temps local est agité. C'est le produit de l'agitation fondamentale et permanente du vide pour lequel le temps n'est défini que sur des intervalles plus petits que le temps de Planck et imperceptibles pour la matière et la lumière à échelle microscopique (de Planck) ou macroscopique. Le temps global émerge d'une interaction entre particules via les photons lumineux. Les zones qui n'interagissent pas en permanence n'établissent pas de temps global. Il y a autant de temps que d'interactions. Hubert Reeves expose dans « Patience dans l'azur » : « Il n'y a plus un ‘'temps'', il y en a un nombre infini, chacun avec son rythme propre. Le rythme du temps est lié à la vitesse de celui qui le mesure. Il est lié aussi à la quantité de matière qui se trouve à proximité de celui qui le mesure. » En fait, le temps n'est valide que par rapport à une interaction donnée et non dans l'absolu. Le temps est, comme la température, une valeur qui s'obtient par régulation d'une agitation thermodynamique. C'est une valeur statistique. Cela explique à la fois la relativité et la physique quantique. L'agitation de l'espace-temps du vide entraîne les inégalités d'Heisenberg. Celle de la matière entraîne la dépendance de l'espace-temps vis-à-vis de la matière et de la vitesse de son mouvement. Cela n'a rien d'étonnant : ce sont deux phénomènes symétriques. L'un est la réaction de la matière devant l'agitation du vide et l'autre la réaction du vide devant l'agitation de la matière. Phénomènes quantiques et gravitationnels sont les deux pôles de la contradiction. Ils s'opposent sans cesse mais sont en permanence inséparables.

[3] Plusieurs phénomènes quantiques le révèlent. Deux particules de même type qui interagissent ne sont plus individuellement distinctes. Aucune expérience ne peut permettre de dire que tel photon est différent de tel autre. Et il en va de même de deux protons ou de deux électrons. Si on cherche à observer l'intérieur de chaque particule, loin de trouver des particularités différentes pour chaque « individu » corpuscule, on trouve tout ! Manfred Mac Gregor écrit ainsi « il y a un monde dans l'électron » dans « L'électron énigmatique »

[4] « Tout système dynamique peut être caractérisé par une énergie cinétique, qui dépend de la seule vitesse des corps qui le composent, et par une énergie potentielle, qui dépend de l'interaction entre ces corps, c'est-à-dire de leurs distances relatives. » Ilya Prigogine dans « La fin des certitudes »

[5] « L'électron nu n'existe pas réellement puisqu'il est toujours impensable sans son champ. » écrivent Banesh Hoffman et Michel Paty, contredisant ainsi l'expression d' « habillage » de l'électron par son champ encore appelé « nuage de polarisation ». Le nuage de polarisation permet à la particule attractive à distance d'être répulsive à courte distance. Nous verrons que c'est l'une des multiples rétroactions du corpuscule et du vide. On ne peut supprimer la réaction du vide à l'action du corpuscule sans supprimer le corpuscule. De là découlent toutes les particularités quantiques : on ne peut mesurer à la fois le corpuscule et la réaction qu'il produit car il sont en permanence en interaction. La mesure casse l'interaction. Il n'y a pas non plus commutativité des mesures. C'est différent de mesurer d'abord le corpuscule ou la réaction dans le nuage. La réaction du vide est agitée en tous sens. Elle a pour effet que le corpuscule est n'importe où au sein du nuage de polarisation.

[6] C'est ce qui se produit quand on fait passer une particule par une fente étroite. Elle perd son mouvement rectiligne parce que sa position au sein du nuage de polarisation est perdue.

[7] Feynman les appelle des particules qui remontent le temps car elles ont toutes les caractéristiques de la particule sauf que les charges sont toutes opposées comme si le temps d'écoulait en sens inverse.

[8] Max Planck en donne une claire illustration dans « Initiation à la physique : « Il est également impossible de faire sortir du néant deux substances opposées. » dans « Initiation à la physique ».

[9] « L'analyse mathématique en termes de perturbation peut, comme nous l'ont appris des diagrammes de Feynman, être transcrits sur un mode imagé. C'est alors qu'interviennent les particules virtuelles qui assument la transformation de modes de vibration d'un champ à l'autre Une particule virtuelle a certes les mêmes propriétés (charge électrique, spin, ...) qu'une particule réelle, mais elle n'est pas contrainte par les relations relativistes entre masse, impulsion et énergie qui définissent l'existence physique d'une particule réelle. » (Edgard Gunzig et Isabelle Stengers dans « Le vide »). Le physicien quantique Jean-Marc Lévy-Leblond parle de « dialectique du réel et du fictif » en affirmant dans « Aux contraires » : « Il est convenu dans le jargon professionnel courant d'y parler de quantons « virtuels » opposés, bien entendu, aux quantons réels. Nous allons être conduits à révoquer en doute cette opposition. »

[10] Dans sa théorie de l'électrodynamique quantique qui interprète la loi par une intégrale de l'ensemble des chemins possibles affectés de leur coefficient de probabilité.

[11] Le chercheur en physique Christophe Schiller écrit ainsi dans son article « Le vide diffère-t-il de la matière ? » dans l'ouvrage collectif dirigé par Edgard Gunzig intitulé « Le vide » : « La matière et le vide se mêlent aux dimensions de Planck. (...) ce que l'on appelle matière et vide sont deux aspects différents d'une même ''soupe'' de constituants. »

[12] Il existe par exemple une myriade de particules éphémères (durée de vie 10-23 secondes à 10-8 secondes) appelées « résonances » qui se désintègrent en particules stables. Elles peuvent être des étapes de transformation extrêmement rapides dans des interactions entre particules dites stables. Par exemple, lors du choc entre un méson pi et un nucléon, il y a formation d'un état résonant (le N+) qui se transforme à nouveau dans un temps extrêmement court en en pion et nucléon. Ces transformations ultrarapides sont à la base de tous les chocs. Les particules qui en sont issues ne sont plus individuellement les mêmes que les précédentes.

[14] Comme le remarquait Tomasi di Lampeduza dans « Le guépard », pour conserver il faut transformer : « Si nous voulons que tout continue, il faut d'abord que tout change ».

[15] « Un atome dans un état stationnaire dispose en général d'un libre choix parmi les différentes sortes de transitions aux autres états stationnaires. » écrit Niels Bohr dans « Théorie atomique et description de la nature » Richard Feynman expose ainsi dans « Matière et lumière » : « Un électron dispose de quatre états. (...) un électron parti du point A dans l'état deux peut parvenir au point B dans l'état trois. »

[16] On emploiera l'expression de « saut » à chaque fois que l'on assiste à une transformation dont la durée est si courte qu'elle n'est pas sensible au niveau que l'on étudie. Par exemple, une transformation dans un temps inférieur au temps de Planck pour de la matière/lumière est un saut. Bien entendu, les durées sont bien différentes quand il s'agit d'un saut pour une espèce ou pour l'évolution d'une étoile, d'une galaxie ou du cosmos. On compare alors la durée de la transformation à la durée d'existence du système qui est en devenir.

[17] Lorsqu'une particule rencontre un écran, un capteur ou tout objet macroscopique comme une machine, sa dynamique d'objet microscopique est arrêtée. Dans ce cas, il y a rupture du lien dialectique entre les divers éléments de la dynamique. C'est pour cette raison que la mesure d'une quantité perturbe les autres quantités qui lui sont liées dans la dynamique (inégalités de Heisenberg).

[18] La dynamique est à la base de la stabilité et elle est fondée sur des sauts. La stabilité de l'atome provient du saut des électrons d'une couche à l'autre par des échanges de photons. La stabilité de l'atome provient du saut des électrons d'une couche à l'autre par des échanges de photons. Le proton, la principale particule de l'atome, de son noyau, est composé de trois quarks. Le mécanisme de stabilité de cette particule provient d'échanges continuels des états de ces trois quarks par échange de particules qui agissent comme liant, les gluons. Chaque quark saute de façon incessante d'un état à un autre mais le proton est globalement inchangé car ses trois quarks sont toujours dans les mêmes trois états. C'est un exemple de stabilité globale et dynamique et toute la matière est bâtie sur cette base : des échanges permanents avec saut d'états permettant une stabilité globale de structure.

[19] Georges Lochak expose ainsi dans « Vers une microphysique de l'irréversible », article de la revue du Palais de la Découverte de mai 1977 : « Ce serait une grave erreur de croire que la propriété que possède un atome de n'apparaître que dans un ensemble discret d'états physiques et de sauter brusquement d'un état à un autre au cours d'une perturbation est l'apanage des systèmes microphysiques et est étrangère à la mécanique habituelle. »

[20] Les lois gravitationnelles, appliquées à plus de trois corps en interaction, ne mènent pas à une seule solution mais à une infinité de solutions comme l'a montré Henri Poincaré dans sa « loi des trois corps ».

[21] Un neutron isolé est instable et se décompose en proton, électron et neutrino. Dans le noyau de l'atome, le neutron est « stable » parce que protons et neutrons échangent sans cesse leurs états.

[22] La période d'inflation cosmique est celle qui a produit la matière durable à partir du vide, c'est-à-dire des particules fugitives, ayant une durée de vie plus courte que le temps de Planck.

[23] La corrélation est la mise en commun durable de leur ensemble structure/milieu par deux particules. L'intrication (mélange d'interaction et d'imbrication) est le phénomène qui se produit lorsque deux particules ont interagi et ont d'autant plus une horloge commune qu'elles ont d'avantage en commun (cas ces photons dits jumeaux parce qu'ils ont été émis en même temps dans deux directions différentes par le même source. Le physicien Erwin Schrödinger parlait d' « emmêlement » à chaque fois que deux particules mettaient en commun leurs états. La décohérence est un phénomène qui explique que le monde que nous connaissons (macroscopique) ne montre pas des phénomènes quantiques du type dualité onde/corpuscule. On dit qu'il est « classique ». Cela provient du fait que dans la matière, il n'y a ni atome ni particule isolées. Les multiples messages entre atomes proches perturbent en permanence les interactions entre un corpuscule et son milieu. Les « apparitions » et « disparitions » qui semblaient des miracles absurdes de la quantique à tous ceux qui refusent le fonctionnement « par révolutions » de la matière sont fondés sur l'inséparabilité entre corpuscule et agitation autour du corpuscule d'un milieu (vide et autres corpuscules). Ils sont supprimés, laissant place au niveau classique de la matière à grande échelle, si on supprime l'un des deux (corpuscule ou agitation du vide). Si le milieu agité autour du corpuscule est perturbé, on ne voit plus le phénomène quantique d'interaction entre les deux.

[24] L'atome d'hydrogène, constitué d'un proton et d'un électron n'a pas une énergie qui est la somme des énergies des deux particules qui la composent. Il a une énergie plus petite. Sa structure est durable parce qu'elle minimise l'énergie. La société n'est pas non plus la somme des individus qui la composent. L'Etat n'est pas la somme des ses agents. Piètre général qui se contenterait d'additionner des soldats et des gradés pour constituer une armée. Le capitalisme n'est pas la somme des capitalistes individuels ni de leurs intérêts particuliers. Il y a belle lurette que la bourgeoisie a compris que le point essentiel dans toute question sociale ou politique est l'organisation, la structure et les relations ou rapports de forces, ce qui sous-entend des contradictions d'une réalité non-linéaire ! Elle ne peut supprimer la contradiction entre prolétaires et patrons mais elle parvient à la minimiser, à la canaliser, à la dépasser… jusqu'à la fois suivante.