Francis dans TRÈS intéressant : les champs très quantiques et le vide rempli de quantum

Une version abrégée de mes articles « Champs très quantiques » a été publiée sur le site du magazine MUY Interesante. TRÈS, 18 décembre 2023et « Le vide rempli de quantum » TRÈS, 23 décembre 2023. Les deux articles, en version intégrale, ont été publiés dans le numéro collector de MUY Interesante no. 25, « Quantum World » (LCMF, 17 décembre 2022) [tienda online]. Si vous n’avez pas pu en profiter alors (ou souhaitez en profiter à nouveau) je vous recommande une (re)lecture de ces deux morceaux. Et j’en profite pour vous annoncer que je contribuerai à un nouveau collectible sur la physique quantique qui est déjà en préparation dans les cuisines du MUY.

Des champs très quantiques: “L’esprit résiste au changement conceptuel du passage des champs classiques aux champs quantiques.”

Tout dans l’univers est constitué d’espace-temps classique et de champs quantiques. Cette phrase résume l’héritage le plus fascinant de la physique du XXe siècle. La physique étudie la réalité, mais les physiciens doivent être honnêtes et reconnaître que nous ne savons pas ce qu’est la vraie réalité et que nous ne le saurons jamais. La raison est simple : on ne peut savoir que ce qui peut être exploré par des expériences et des observations, ce qu’on appelle la réalité physique.

Les objets découverts au XXe siècle, comme les galaxies, les supraconducteurs ou le graphène, n’existaient pas dans la réalité physique avant 1900. En effet, au milieu du XXe siècle, la réalité physique était constituée de particules comme l’électron, le proton et le photon. ; On ne savait pas que le proton était une particule composite et on pensait que l’espace-temps était un objet mathématique sans réalité physique. Tout a changé dans la seconde moitié du XXe siècle, lorsqu’il a été révélé que les particules sont un épiphénomène dérivé des champs quantiques ; De plus, des ondes gravitationnelles et des trous noirs ont été observés, qui ont élevé l’espace-temps à quelque chose de réel. Ainsi, au 21ème siècle, la réalité physique est constituée d’espace-temps en 3+1 dimensions et de 118 champs quantiques. Il existe des spéculations scientifiques sur des dimensions supplémentaires de l’espace et de nouveaux champs quantiques qui n’ont pas encore été observés, mais ils ne font pas encore partie de la réalité physique.

“Il n’y a qu’un seul électron dans l’univers, qui se propage dans l’espace et dans le temps de telle manière qu’il semble se trouver simultanément à plusieurs endroits.” Cette phrase n’a apparemment aucun sens, puisque l’on sait que deux atomes distincts sont entourés d’électrons différents. Cependant, le physicien Richard Feynman, père de l’électrodynamique quantique en 1949, a prononcé ces mots dans son discours Nobel de 1965 ; Il raconte comment son directeur de thèse, John Wheeler, l’a ébloui avec cette idée en 1940 : le champ quantique de l’électron est unique.

Tous les électrons sont des excitations localisées dudit champ électronique qui s’y propagent comme s’il s’agissait d’ondes. Les diagrammes de Feynman montrent des particules en interaction, mais lors des calculs, ils représentent des propagateurs d’ondes. Par conséquent, tous les électrons ayant le même niveau d’énergie dans différents atomes sont identiques et impossibles à distinguer les uns des autres. Le champ quantique est l’objet fondamental de la réalité physique, un objet qui n’est pas situé dans une certaine région de l’espace, comme le sont les particules, mais qui est distribué dans tout l’espace-temps de l’univers.

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Le vide quantique rempli : « Le vide est-il vraiment vide ? Et si on vous disait que le vide est plein ?

Le vide quantique est une substance. Cette phrase qui ressemble à un oxymore a été popularisée par le physicien espagnol Álvaro de Rújula (CERN) et résume le résultat le plus révolutionnaire de la mécanique quantique relativiste (théorie quantique des champs). Les champs quantiques ont deux types d’états : le vide et les particules. Le vide est un état du champ sans particules qui remplit tout l’espace ; en fait, le champ quantique est un « champ » grâce à son état de vide.

Les particules (et antiparticules) sont des états du champ autour du vide qui se comportent comme des ondes localisées se propageant dans l’espace. Un champ peut avoir plusieurs vides et plusieurs types de particules dans chacun de ces vides, différentes par leurs masses et leurs charges. Pour le comprendre, il faut utiliser les mathématiques : le champ d’une particule de masse est décrit par une équation d’onde avec un terme de masse déterminé par l’énergie potentielle du champ ; Les états de vide sont les extrêmes (minimum ou maximum) du potentiel ; A chaque minimum nous avons un vide stable avec des états de type particule dont la masse dépend de la courbure du potentiel audit minimum (qui peut être différente selon les minima) – au maximum le vide est instable et il n’y a pas d’états de type particule , puisqu’il s’agirait de Tachyons, des particules qui se déplaceraient plus vite que la vitesse de la lumière dans le vide.

De Rújula a popularisé son expression lors de conférences sur la physique du boson de Higgs. Dans le modèle standard de la physique des particules, tous les champs ont un seul vide, à l’exception du champ de Higgs qui en possède deux. À haute énergie, il possède un vide d’énergie nulle et quatre particules, le boson de Higgs scalaire H⁰, un boson de Higgs pseudoscalaire h⁰ et deux bosons de Higgs chargés H⁺ et H⁻. Ce vide existait lorsque l’univers avait moins d’un billionième de seconde ; mais après la transition de phase électrofaible, le champ de Higgs est passé à son deuxième état de vide, celui actuel, avec une énergie de 246,22 GeV (ce qui équivaut à la masse de 262 protons). Dans ce second vide, le champ de Higgs ne possède qu’une seule particule, le boson de Higgs H⁰, d’une masse de 125,3 GeV/c², dont la découverte a été annoncée en 2012 ; Les trois autres composantes du champ de Higgs sont excitées en tant que composantes longitudinales des bosons vecteurs faibles W⁺, W⁻ et Z⁰, leur donnant une masse.

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