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Là où la matière physique reste une grande inconnue : la charge électrique

mercredi 3 mars 2021, par Robert Paris

Là où la matière physique reste une grande inconnue : la charge électrique

Ce qu’il y a de plus fondamental dans la matière, ce qui la fonde dans ses manifestations essentielles et notamment son instabilité, la charge électrique, est aussi fondamentalement… inconnu ! En effet, si nous connaissons bien les lois qui découlent de cette charge, celles de l’électromagnétisme par exemple, nous ignorons d’où vient la charge électrique, comment elle est liée à la particule, quelle est son origine.

Par exemple, nous ignorons pourquoi il n’existe qu’une seule charge électrique, celle de l’électron, et des multiples de celle-ci ou leur opposé. La charge du proton est l’opposée de celle de l’électron exactement. Proton et électron ont des masses au repos très différentes mais des charges exactement opposées, ce qui a un rôle fondamental dans la constitution d’atomes électriquement neutres, mais sans que l’on sache quelle est l’origine de cette particularité.

Le neutron est l’équivalent électrique d’un proton plus un électron et l’atome est une somme de protons et d’électrons ainsi que de neutrons. Que ce soit dans la matière ou dans le vide, il ne peut y avoir que des nombre entiers de fois la charge de l’électron, soit 1,6 fois dix puissance moins 19 Coulombs, ou leur opposé. Là non plus nous n’avons aucune interprétation de cette situation très particulière.

En fait, nous connaissons les propriétés qui découlent de l’existence des charges, mais ne savons pas du tout ce qu’est une charge électrique dans une particule, ni où la situer !!!

Il est notamment remarquable que la loi de conservation la mieux vérifiée est la conservation de la charge électrique. Dans toute transformation, il n’apparaît ni ne disparaît jamais de charge électrique ! Tout groupe de charges électriques a une charge totale qui en est la somme.

Une des propriétés très importantes de la matière, l’absence de stabilité de la matière, provient de ces charges électriques et elle a été découverte il y a bien longtemps. En effet, le théorème de Samuel Earenshaw indique que tout ensemble de charges électriques en équilibre ne peut qu’être en équilibre instable et ce théorème s’applique notamment à l’atome. Le caractère dynamique de la matière en découle…

Les charges électriques s’attirent ou se repoussent en fonction de leur charge et de l’inverse du carré de leur distance. Cela provient de l’énergie qu’elles échangent au travers de photons. L’une des énigmes des charges électriques, c’est justement la manière qu’elles ont d’émettre des photons.

Ces diverses énigmes ne peuvent être résolues par l’étude de la seule matière durable, dite réelle, mais par celle du vide quantique dite virtuelle alors qu’elle est tout à fait réelle…

Elie Lévy, « Dictionnaire de Physique » :

« Il est bien cependant de ne pas oublier que malgré ce foisonnement de découvertes concernant les diverses manifestations de l’électricité, nous ne savons toujours rien sur sa nature… »

Eh oui ! On pouvait lire cela en 1988 et aujourd’hui peut encore dire que nous ne savons toujours RIEN sur la nature de la charge électrique !

Gilles Cohen-Tannoudji dans « La Matière-espace-temps » :

« Une question lancinante persiste : pourquoi la charge électrique est-elle quantifiée et non continue, et pourquoi la charge électrique des protons, qui eux sont formés de quarks (qui à priori n’ont pas grand-chose en commun avec les électrons) est-elle juste opposée à la charge électrique de l’électron ? »

Leon Lederman ne se gêne pas pour exprimer son insatisfaction sur cette inconnue qu’est la charge électrique de la particule :

« 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 ? » « Où se trouve la charge, où se trouve la masse ? « Sous quelle forme l’énergie est-elle « emmagasinée » dans l’électron ? »

Paul Davies dans "Les forces de la nature" :

« Les forces électrique et magnétique sont facilement visibles et étaient connues des civilisations anciennes. Des expériences de laboratoire ont démontré que les corps électriquement chargés pouvaient aussi bien s’attirer que se repousser. On a conclu de là que la charge électrique pouvait être aussi bien positive que négative, la règle étant que les charges de signes contraires s’attirent, et que les charges de même signe se repoussent. L’intensité de la force diminue avec la distance exactement comme dans la loi de la gravitation de Newton, selon l’inverse du carré de la distance. Pour les charges ponctuelles e et e’ la force est F = K.e.e’/r². La constante K, analogue à la constante G de Newton, a une valeur qui dépend du système choisi pour mesurer la charge électrique. Dans le système international, il est habituel d’écrire K sous la forme K = 1/(4pi.e) où e est appelé la permittivité du vide et a pour valeur 8,85 . 10 puissance moins 12. Une propriété fondamentale de l’électricité apparaît dans la loi de conservation de la charge, qui énonce que dans un système isolé la différence entre la quantité totale de charge positive et la quantité totale de charge négative ne change jamais. La charge ne peut être ni créée ni détruite : quand de l’électricité apparaît dans un système électriquement neutre, toute charge positive est accompagnée d’une quantité égale de charge négative. Toute matière ordinaire contient des charges électriques, mais les propriétés électriques de matériaux différents varient énormément. certaines substances produisent de l’électricité quand on les frotte : les Grecs de l’Antiquité avaient remarqué que de l’ambre frotté avec une fourrure attirait de petits objets, et le mot "électricité" vient du mot grec pour ambre (électron). Certains matériaux laissent librement passer l’électricité : on les appelle des conducteurs. par contre les isolants empêchent le passage de l’électricité. »

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

« En théorie quantique, la force exercée entre deux charges électriques est due à l’échange de photons virtuels. Le nombre de photons ainsi échangés étant proportionnel au produit des deux charges, on retrouve ainsi la loi de Coulomb. 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 ? »

Mark Silverman dans "And Yet it moves" (et pourtant elle bouge) :

« La conservation de la charge électrique est l’une des lois de conservation les plus strictement observée. A ma connaissance, aucune violation de cette loi n’a été observée. (...) La conservation de la charge est un phénomène local. (…)

L’un des attributs des particules qui sont en un sens à la fois familière et mystérieuse est celle de la charge électrique. La théorie de l’électrodynamique quantique apporte une description complète et correcte (autant que l’expérimentation ait pu le confirmer) de l’interaction entre matière chargée et champs électromagnétiques. Et pourtant, assez curieusement, nous ne savons pas exactement ce qu’est la charge électrique, mais nous connaissons seulement son effet. Ou, également significativement, nous savons ce qu’elle ne fait pas. La charge électrique, par contre, ne change pas. La conservation de la charge est l’une des lois de conservation de la physique les plus strictement vérifiées. A ma connaissance aucun phénomène reproductible de violation de la conservation de la charge n’a été rapporté. De plus, ce n’est pas simplement une question de bilan global de la charge, comme dans le cas, par exemple, d’un électron créé à une extrémité d’un laboratoire et un positron à l’autre extrémité. La conservation de la charge est locale ; il n’y a aucune violation dans aucune région de l’espace-temps autant que les limites des incertitudes quantiques permettent de l’établir… Il y a une autre propriété, peut-être encore plus profonde, c’est que la charge électrique ne change pas ; elle est indépendante de sa vitesse. Considérée comme parfaitement vérifiée, cette propriété est un fait remarquable de la nature, car de nombreuses propriétés de la particule dépendent, elles, de la vitesse. La masse apparente ou intertielle de la particule, par exemple, augmente avec la vitesse de la particule ; dès que la particule approche de la vitesse de la lumière, il faut un très grand accroissement de la force requise pour produire la même augmentation de vitesse. Accélérer une particule massive à la vitesse de la lumière nécessiterait une force infinie et cela n’est donc pas possible. Par contre, la charge de la particule n’est pas affectée par la vitesse ; on dit que c’est un invariant de Lorentz… Pourtant, l’invariance de la charge, contrairement à la conservation de la charge, n’est pas considérée jusqu’à présent comme conséquence d’un principe plus fondamental, mais doit être considéré seulement comme une constatation expérimentale… Dans une série d’expériences réalisées durant trente ans, J.G. King a établi que la différence entre les charges de l’électron et du proton au sein d’atomes d’hélium est nulle, avec une précision de 1 divisé par dix puissance vingt ! (…) Mais l’invariance de la charge n’est-elle pas imputable au fait que la charge ne se déplace pas en réalité ? (…) Si l’électron une particule chargée classique (non quantique) orbitant autour d’un centre de force, cela devrait se manifester par un effet Doppler de décalage des radiations émises en différents points de la trajectoire de l’électron… Bien entendu, l’électron n’est pas une particule classique – et la preuve immédiate de cela est l’existence même des atomes. Si l’électron émettait des radiations comme décrit plus haut, l’atome s’effondrerait sur lui-même au bout dix puissance moins onze secondes ! » La conservation de la charge électrique est un principe physique. Il exprime que la charge électrique d’un système isolé est un invariant. La charge électrique ne peut donc être qu’échangée avec un autre système mais ni créée ni annihilée. On dit qu’il s’agit d’une grandeur conservative. Cependant, on ignore complètement aujourd’hui ce qu’est la charge, comment elle est liée à la matière (une particule pouvant perdre sa masse mais pas sa charge électrique !), à la lumière et au vide, comment elle fait pour se conserver et pourquoi elle n’est pas modifiée par un mouvement, y compris un mouvement accéléré… En effet, une charge en mouvement perd de l’énergie et produit une modification du vide (champ électromagnétique). Malgré la modification de son énergie due au mouvement de la charge, il n’y a aucune modification de la charge elle-même. C’est la propriété d’invariance de la charge électrique (pas de modification de la charge au cours d’un mouvement ou d’une transformation, par exemple une décomposition de particule, de noyau, d’atome ou de molécule) à ne pas confondre avec la propriété dite de conservation de la charge (pour laquelle tout système isolé ne change pas de charge électrique et tout système qui augmente sa charge doit avoir reçu exactement la même charge de l’extérieur). Cette situation curieuse (à la fois invariance et conservation), la physique ne l’explique pas, ne l’interprète pas. C’est donc considéré comme un principe qui est, sans exception, vérifié au cours de toutes les expériences jusqu’à présent. Même au sein du vide, ce principe ammène le fait qu’autant de charges négatives que de charges positives doivent être créées et que dans un volume donné, il y a égalité entre le gain de charges et l’entrée de ces charges venues de l’extérieur. Il ne peut donc se créer de charges d’un seul signe… L’univers entier contient donc, à tous les niveaux, des charges électriques mais elles ne cessent jamais de s’équilibrer, que ce soit dans la matière, dans la lumière ou dans le vide. Cela provient du fait que toutes les charges élémentaires sont identiques mis à part leur signe. Toutes les charges électriques ne peuvent qu’être un multiple de la charge élémentaire e = 1.602 176 565(35) × 10−19 C. Il n’existe pas de charge un demi de e ou 1,23 e. Il existe seulement 2 e ou 3 e ou 4 e ou encore – 2 E ou – 3 e ou – 4 e. L’exception des quarks, qui ont une charge 1/3 e ou 2/3 e ou – 1/3 e ou – 2/3 e, n’en est pas une car les quarks n’existant pas isolément mais par deux ou trois, tous les ensembles de quarks observés ont une charge globale e ou multiple de e. Un électron étant chargé –e et un proton +e, il suffit qu’il y ait le même nombre d’électrons que de protons pour qu’un atome soit globalement neutre électriquement et que les molécules, elles-mêmes formées d’atomes neutres électriquement, le soient également. Le fait que l’antiparticule de l’électron + e ait exactement la même charge que l’électron hormis le signe ( -e), permet à un couple électron-positron de s’annihiler mutuellement, ce qui est à la base de nombreux phénomènes au sein du vide quantique, lui-même fondement à la fois de la matière et de la lumière. Cependant, la question du mouvement est un problème particulier pour les quantités physiques qui obéissent à la relativité. Les distances changent, les temps changent, les masses changent, l’énergie change mais pas la charge électrique et c’est un peu une énigme, même si le fait que la physique l’admette n’entraîne aucune contradiction avec la théorie ni avec l’expérience. Si la charge électrique est quantifiée, cela n’empêche pas de pouvoir produire des charges apparentes continues. En effet, il suffit pour cela. En effet, le vide est rempli de paires de particules « virtuelles », comme des électrons et des positrons, qui se créent et s’annihilent rapidement ensuite. Le vide entourant une particule chargée est transformé par la présence de celle-ci. Dans la paire particule-antiparticule virtuelle du vide, l’une est attirée et l’autre repoussée par la particule électrique. Et c’est vrai de tous les couples vituels qui entourent la particule électrique. C’est ce que l’on appelle la polarisaiton du vide. Du coup, la charge globale de la particule, du moins celle que « ressent » une particule chargée qui l’approche, est modifiée. Ce n’est plus exactement e ou – e mais la charge apparente peut devenir un nombre décimal fois e. Ainsi, la discontinuité fondamentale de la charge a produit une continuité apparente, celle du champ électromagnétique qui entoure la particule chargée et qui va déterminer le mouvement d’une autre particule chargée à l’approche. »

Victor Weisskopf dans « La révolution des quanta » :

« Chaque fois qu’on construit une théorie quantique relativiste pour décrire une particule, la théorie fait apparaître la nécessité de postuler une « antiparticule » symétrique, de charge opposée. Ces antiparticules forment ce qu’on appelle l’antimatière, dénuée de tout le mystère dont on entoure parfois son nom : ce n’est en fait rien qu’une autre forme de la matière, composée d’antiparticules ayant des charges opposées à celles des particules ordinaires. »

Le caractère « quantique » (quantités toujours multiples d’une quantité élémentaire) de la charge électrique a une importance fondamentale dans notre univers puisque c’est lui qui permet à l’atome et à la matière constituée d’atomes (groupe de charges opposées en même nombre) ainsi qu’au photon (couple de deux charges opposées) et au vide (constitué de couples de particules et antiparticules de charges opposées) d’être globalement neutres électriquement. Pour constater le caractère quantique de l’univers, c’est-à-dire de la matière/lumière/vide, on pense souvent au quanta de Planck h, tout étant constitué de tels quanta ou de leurs multiples. Un système isolé conserve toujours la même quantité de quanta, encore appelée quantité d’action (une action est le produit d’une énergie par un temps). Mais il faut aussi songer à la charge électrique e. Tout est également constitué de charges électriques e ou de leurs multiples (positifs ou négatifs). Les deux phénomènes physiques, charge électrique et quantité d’action, sont également des preuves du caractère fondamentalement discontinu, et même discret, de l’univers malgré les apparences de continuité que donnent les phénomènes ondulatoires. On remarquera qu’un grand nombre de quantités physiques ne sont pas, directement et de manière évidente, de type quantique comme la masse ou l’énergie. On ne se trouve pas, dans de nombreuses expériences, confronté à des multiples d’une masse élémentaire ni à des multiples d’une énergie élémentaire. Pas davantage à des multiples d’une distance élémentaire ni à des multiples d’un champ élémentaire. Pas davantage en ce qui concerne la fréquence pour laquelle il n’existe aps non plus de fréquence élémentaire dont toutes les autres ne seraient que des multiples. Quelle est la base réelle de la matière, de la lumière et du vide ? Il s’agit de trouver des caractéristiques fondamentales du réel. Cela suppose des caractéristiques inchangées dans les chocs, dans les compositions/décompositions, dans les créations/annihilations et que l’on retrouve aussi bien dans le vide, dans la matière et dans la lumière, sous toutes leurs formes. Le seul paramètre qui réponde à ces demandes est celui de la charge électrique e : charge positive (par exemple celle de l’électron) ou charge négative (celle du proton). On trouve partout cette charge, y compris dans la particule de masse neutre électriquement comme le neutron. Ce dernier comprend un électron et un proton ainsi qu’une particule neutre. Chaque particule « neutre » peut ainsi être décomposée en un nombre égal de particules d’électricités opposées (un nombre entier de charges e) et en particules neutres. Cela signifie que la charge électrique est inchangée dans les transformations, chocs ou décompositions. Mais cette remarque n’est pas la seule qui nous amène à choisir la charge électrique comme élément de base. La lumière peut également se décomposer en particules de charges opposées, les particules dites virtuelles. Bien des expériences démontrent en effet que le photon, neutre électriquement est sensible au champ magnétique. Cela signifie qu’il se comporte comme un petit aimant, un dipôle électrique : électron et positon virtuels tous les deux. Le vide est également neutre électriquement mais la matière le décompose en dipôles virtuels (électrons/positons). Tout choc suffisamment énergétique en fait autant, produisant des dipôles virtuels.

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