La physique quantique décrit le fonctionnement de l’Univers au niveau des minuscules particules, telles que les électrons et les photons de lumière, qui le composent. La plupart de nos expériences quotidiennes proviennent de l’interaction des particules de matière entre elles et avec la lumière, ce qui peut être expliqué par l’électrodynamique quantique (QED).
Cette théorie détaillée gagnerait le prix Nobel de physique pour Richard Feynman, Julian Schwinger et Sin-Itiro Tomonaga. Une grande partie de leur pensée originale impliquait des mathématiques complexes, car il était nécessaire de traiter un grand nombre d’interactions potentielles, chacune avec des probabilités différentes.
Mais Feynman s’est rendu compte que ces interactions pouvaient être représentées par de simples diagrammes – des motifs qui définissent l’interaction de la lumière et de la matière. Non seulement ils ont rendu la QED plus compréhensible, mais les diagrammes de Feynman ont également fourni un outil visuel pour rendre pratiques des calculs autrement impossibles.
Chaque diagramme combine une série de lignes où, par exemple, les lignes droites représentent les particules de matière et les lignes ondulées sont les photons. Ce sont des motifs dans l’espace-temps, mais ils représentent l’interaction des particules. Un exemple simple pourrait montrer deux électrons se repoussant électromagnétiquement, avec un photon passant entre eux comme porteur de force.
Les diagrammes de Feynman étaient nécessaires pour refléter le comportement étrange des particules quantiques, qui ne ressemble en rien à l’action des objets physiques qui les composent. Pour comprendre pourquoi les diagrammes étaient si importants, nous devons prendre du recul sur ce qui rend la physique quantique si bizarre.
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CQFD : électrodynamique quantique
La physique quantique a commencé avec la prise de conscience d’Einstein que les photons étaient réels, s’étendant bientôt pour expliquer la structure de l’atome. C’est la science du très petit, où la réalité ne semble pas avoir la certitude déterministe du monde que nous observons généralement, mais plutôt les probabilités dominent.
L’électrodynamique quantique, où les diagrammes de Feynman ont été utilisés pour la première fois, considère les interactions des particules quantiques qui dépendent de l’électromagnétisme. Dans l’usage courant, « l’électromagnétisme » sonne comme s’il ne s’agissait que d’électricité et de magnétisme, ce qu’il est en un sens. Mais nous devons comprendre qu’il est responsable de la grande majorité des interactions quotidiennes dans le monde que nous vivons.
La lumière est un phénomène électromagnétique. De même, la plupart des interactions entre les atomes sont électromagnétiques. Ainsi, par exemple, lorsque vous vous asseyez sur une chaise, c’est la force électromagnétique agissant entre les atomes de la chaise et les atomes de votre corps qui empêche vos atomes de simplement passer devant ceux de la chaise.
La force électromagnétique est l’une des quatre forces fondamentales de l’Univers. Les trois autres sont la gravité et les interactions fortes et faibles – ces deux forces sont impliquées dans le noyau des atomes. Nous avons tendance à penser que la gravité est assez écrasante, mais en fait, c’est de loin la plus faible des quatre forces, des milliards de milliards de fois plus faible que l’électromagnétisme.
Si vous en doutez, pensez à un aimant pour réfrigérateur. Toute l’attraction gravitationnelle de la Terre tente de la tirer vers le sol. Tout ce qui le retient au réfrigérateur est la force électromagnétique de son petit aimant. L’aimant gagne.
Dans la théorie quantique, les forces passent d’un endroit à l’autre en raison de ce qu’on appelle des porteurs de force – des particules qui se déplacent entre les deux objets qui s’attirent ou se repoussent. C’est pourquoi, par exemple, un aimant peut attirer un morceau de fer à distance. Étonnamment peut-être, le porteur de force de l’électromagnétisme est une particule que nous avons déjà rencontrée : le photon.
On nous présente généralement le photon en tant que particule de lumière, mais chaque fois qu’il y a une interaction électromagnétique entre des particules de matière, un flux de « photons virtuels » entre les particules produit l’effet d’une force. Le terme « virtuel » ici est décidément trompeur. On dirait que cela signifie que les particules n’existent pas. Ce à quoi cela fait vraiment référence, cependant, c’est que les photons ne sont jamais observés, car ils passent d’une particule à l’autre sans s’échapper.
En conséquence, presque toutes les interactions électromagnétiques – ce qui signifie presque toutes les interactions de matière n’impliquant pas la gravité – sont le résultat d’une particule de matière émettant un photon, ou d’une particule de matière absorbant un photon, ou les deux.
diagrammes de Feynman
Les diagrammes de Feynman sont conçus comme un moyen à la fois d’illustrer ces interactions électromagnétiques et d’explorer et de quantifier les nombreuses variantes fournies par la nature étrange de la physique quantique qui ne seraient pas attendues autrement.
Sur les diagrammes, les particules de matière sont représentées par des lignes droites et les photons par des lignes ondulées. (Il existe d’autres types de lignes lorsque l’utilisation du diagramme est étendue au-delà du simple QED.) Il n’y a pas de convention claire sur l’axe du temps et de l’espace. Assez souvent, le temps est l’axe vertical dans un Feynman, mais là où c’est plus pratique, il peut s’agir de l’axe horizontal à la place.
Les éléments les plus courants montrés sur un tel diagramme sont qu’un photon se déplace d’un endroit à un autre ; une particule de matière (dans sa forme la plus simple, un électron) se déplace d’un endroit à un autre ; ou une particule de matière émet ou absorbe un photon. Presque tout peut être construit à partir de ces composants simples.
Mais à cause des bizarreries de la physique quantique, une action apparemment simple peut entraîner toute une pléthore de diagrammes. Prenons un exemple apparemment simple de deux électrons en mouvement. Nous savons où ils commencent et où ils finissent.
Mais comment passent-ils d’être situés en A et B à être en C et D ? La possibilité la plus simple est que l’électron de A aboutisse à C, et celui de B à D. Une autre probabilité est que l’électron de A aboutisse à D et celui de B à C.
Notez que nous ne pouvons pas dire ce qui s’est passé car nous ne connaissons pas la route empruntée par les électrons, ni quel électron est lequel. L’une des particularités des particules quantiques, telles que les électrons, est qu’elles n’ont pas de caractéristiques distinctives. Ils sont vraiment identiques.
C’est assez simple, mais il y a d’autres possibilités. Les électrons, comme les autres particules quantiques, peuvent subir un processus appelé diffusion. Ceci est souvent représenté comme un électron rebondissant sur l’autre, comme une paire de balles sur une table de billard. Cependant, les électrons sont des particules chargées électriquement et l’interaction électromagnétique fonctionne à travers les photons.
Ainsi, un autre schéma montrerait un photon passant d’un électron à l’autre, modifiant ainsi les chemins des électrons pour qu’ils se retrouvent en C et D. Cela pourrait se produire de plusieurs manières.
Chacun des différents diagrammes possibles sera associé à une probabilité. Au fur et à mesure que nous ajoutons des possibilités plus improbables, le résultat devient de plus en plus proche de la réalité. C’est amusant que la physique quantique soit en un sens la science la plus précise que nous ayons. Comme Feynman l’a observé un jour, la différence entre ses prédictions et la réalité est comparable à la largeur d’un cheveu à l’échelle de la distance entre New York et Los Angeles.
Pourtant, d’un autre côté, les prédictions de la physique quantique sont basées sur des probabilités, et bien que nous puissions nous rapprocher de la valeur réelle, ce sera toujours la limite de prendre en compte tous les diagrammes possibles, plutôt qu’un simple résultat.
Bien que les diagrammes de Feynman aient parfois des flèches indiquant une direction de déplacement, ils ne sont souvent pas nécessaires. Prenez, par exemple, le photon voyageant entre les électrons dans les diagrammes ci-dessus.
Il est parfaitement acceptable de dire que le photon se déplace dans la direction qui le fait voyager dans le futur, mais en pratique, les mathématiques utilisées pour effectuer le calcul ne se soucient pas de savoir si le photon se déplace vers l’avant ou vers l’arrière dans le temps. Tout comme les diagrammes ne distinguent généralement pas de direction, le photon est décrit comme étant « échangé » par les particules, plutôt que de se déplacer d’une particule spécifique à l’autre.
Nous ne passerons pas en revue tous les schémas possibles pour cette simple interaction (en fait ce serait impossible, et même le tenter serait très fastidieux). Mais juste pour montrer comment de plus en plus de complexité pourrait être ajoutée, une prochaine possibilité pourrait être d’avoir deux photons échangés en cours de route, produisant une paire d’événements de diffusion. Au moment où nous arrivons à un événement comme celui-ci, la contribution est déjà d’environ une partie sur 10 000.
Notez, incidemment, que les diagrammes sont plus que des illustrations visuelles – ils sont un mécanisme sur lequel baser des calculs. Les calculs réels peuvent devenir péniblement désordonnés, mais les diagrammes fournissent les modèles pour les fonder d’une manière accessible.
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