2. Théorie quantique des champs : l'électrodynamique quantique
Le spectre discret des niveaux d'énergie des atomes et les caractéristiques de l'effet photoélectrique ont amené les physiciens du début du xxe siècle à considérer que le champ électromagnétique devait être quantifié, les interactions résultant de l'émission et de l'absorption de grains électromagnétiques, appelés photons, ces quanta ayant toutes les caractéristiques attachées jusque-là aux corpuscules. De masse nulle, de moment angulaire intrinsèque (le spin) égal à h/2π (h est la constante de Planck), ces photons sont les vecteurs des forces attractives ou répulsives que les corps chargés exercent entre eux.
La théorie de la relativité ayant montré que forces électriques et magnétiques ne sont que deux aspects d'une même réalité physique – la distinction entre l'une et l'autre dépend du repère dans lequel se place un observateur –, le photon décrit aussi bien l'effet d'une charge électrique que celui d'un aimant. Les objets mathématiques fondamentaux de la théorie quantique des champs sont des opérateurs aptes à produire, à partir d'un état de référence appelé vide quantique, des excitations reconnues comme les photons, ou à détruire ces états. Comme son nom l'indique, un opérateur mathématique agit sur un élément d'un ensemble ; par exemple un opérateur « rotation » dans l'espace usuel transforme les coordonnées d'un vecteur en celles du vecteur tourné d'un certain angle. Ces objets, appelés opérateurs de création et opérateurs d'annihilation, obéissent à des règles de commutation précises (le commutateur de deux opérateurs A et B est la différence entre les produits AB et BA). Des opérateurs de création d'un photon, par exemple, agissant en différents endroits, décrivent des copies indiscernables mais éloignées de cette particule. La présence de copies conformes d'une particule devient ainsi le signe de l'existence sous-jacente du champ quantique associé. Une conséquence importante du rôle primordial jou […]
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