CHAMPS THÉORIE DES
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 xx e 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 joué par ces opérateurs de création est que le nombre de particules du système considéré n'est plus constant. C'est ce que l'on observe concrètement lors des collisions de particules accélérées jusqu'à de très hautes énergies : la collision de deux électrons donne en général naissance à de nombreux photons, ainsi qu'à des paires électron-positon.
Les interactions entre les champs quantiques sont locales ; cela signifie que les équations du mouvement et les relations de commutation, qui gouvernent l'évolution d'un champ en un point donné de l'espace-temps, ne dépendent que de la valeur des champs (et de leurs dérivées) en ce point. Pour qu'une particule S (la source) influence un corps éloigné C (la cible), elle doit émettre un quantum de champ intermédiaire qui se propagera jusqu'à sa destination, l'action sur le destinataire étant réalisée lorsque ce quantum arrive au point de l'espace-temps occupé par C. Les influences mutuelles sont ainsi représentées comme un complexe jeu de ping-pong où les deux acteurs (S et C) envoient et reçoivent un certain nombre de quanta du champ médiateur – par exemple des photons s'il s'agit d'une influence électromagnétique. Ces excitations temporaires du champ médiateur ont toutes les caractéristiques des particules qui leur correspondent, à une notable exception : la relation E2 —p 2 c 2 = M2 c 4, qui lie l'énergie E, le vecteur quantité de mouvement p et la masse M d'une particule relativiste, est violée ; on dit que la particule échangée est virtuelle et sa virtualité (la différence entre E2 — p 2 c 2 et M2 c 4) peut être d'autant plus grande que le processus est de très[...]
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- 1. La théorie classique des champs
- 2. Théorie quantique des champs : l'électrodynamique quantique
- 3. Théories de jauge et description des interactions nucléaires
- 4. Unification des interactions
- 5. Théorie quantique des champs et physique du solide
- 6. Au-delà de la théorie quantique des champs
- 7. Bibliographie
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Écrit par
- Bernard PIRE : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau
Classification
Pour citer cet article
Bernard PIRE, « CHAMPS THÉORIE DES », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le . URL :
Média
Unification des forces fondamentales, M. Crozon
Encyclopædia Universalis France
Unification des forces fondamentales, M. Crozon
Michel Crozon, directeur de recherche dans le laboratoire de physique des particules au C.N.R.S.,…
Encyclopædia Universalis France
Autres références
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BELL JOHN STEWART (1928-1990)
- Écrit par Maurice JACOB
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Le physicien théoricien britannique John Stewart Bell a marqué par ses travaux le domaine de la mécanique quantique.
Né à Belfast le 28 juillet 1928, John Stewart Bell, d'origine modeste, doit travailler dès l'âge de seize ans comme assistant de laboratoire. Il gravit cependant assez vite tous[...]
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ÉLECTROMAGNÉTISME
- Écrit par Bernard PIRE
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L'expérimentateur anglais Michael Faraday (1791-1867) proposa le premier de décrire l'action de l'électricité en termes de champ électromagnétique plutôt que de mouvements de particules chargées. James Clerk Maxwell (1831-1879) généralisa et formalisa les[...]
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FARADAY MICHAEL (1791-1867)
- Écrit par E.U., Leslie Pearce WILLIAMS
- 8 913 mots
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[...]magnétisme. En conséquence, l'énergie réelle de l'aimant se trouvait dans l'espace avoisinant, non dans le barreau de fer. C'était là l'idée essentielle de la théorie des champs. Elle aussi fut immédiatement rejetée par la plupart des contemporains de Faraday, sauf, exception notable, Maxwell. Ce dernier reprenait[...] -
PARTICULES ÉLÉMENTAIRES - Caractères généraux
- Écrit par Maurice JACOB, Bernard PIRE
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PAULI WOLFGANG (1900-1958)
- Écrit par Charles P. ENZ
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[...]sa rencontre avec le célèbre psychiatre Carl Gustav Jung, à Zurich. Ce fut aussi le moment où l'intérêt de Pauli se fixa sur la théorie des champs quantifiés et les particules élémentaires. À sa chaire de l'École polytechnique était rattaché un poste d'assistant docteur qui, par la suite, attira[...]
Voir aussi
- ONDE ou RAYONNEMENT ÉLECTROMAGNÉTIQUE
- PHASE TRANSITIONS DE
- MOINDRE ACTION PRINCIPE DE
- JAUGE INVARIANCE DE
- CHAMP ÉLECTROMAGNÉTIQUE
- CHAMPS THÉORIE QUANTIQUE DES
- FERMIONS
- INVARIANCE, physique
- CPT INVARIANCE
- BOSONS
- CHARGE ÉLECTRIQUE
- FEYNMAN DIAGRAMMES DE
- OPÉRATEUR
- ANTIPARTICULES
- ÉLECTRON
- QUANTIQUE MÉCANIQUE
- PAULI PRINCIPE D'EXCLUSION DE
- POSITON ou POSITRON
- MÉSONS
- NUCLÉAIRES FORCES, physique
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- SOLIDES PHYSIQUE DES
- QUARKS
- PARTICULES VIRTUELLES
- OBSERVABLE, mécanique quantique
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- ÉLECTRODYNAMIQUE QUANTIQUE
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- BOSE SATYENDRANATH (1894-1974)
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- INTERACTION GRAVITATIONNELLE
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