Dernière mise à jour: 28 avril 2023

Concept de champ en physique

Image approximative d'un champ

La notion de champ en physique est abstraite et ne peut pas être représentée par une image. Cependant on peut se faire une idée superficielle du concept de champ.

Un champ est une portion d'espace délimitée remplie de grandeurs physiques mesurables qui peuvent varier dans le temps.

Par exemple:
• Dans une pièce, à chaque point de l'espace et à chaque instant, il est possible de mesurer des grandeurs physiques qui caractérisent l'état de la pièce, telles que la température, la pression, la densité, etc. La pièce est donc remplie d'un champ de températures, d'un champ de pression, d'un champ de densité, etc.
Ces champs sont dits scalaires car chaque point est représenté par un nombre réel ou complexe.

• A chaque endroit de la pièce et à chaque instant, il y a aussi un mouvement des molécules d'air qu'on peut mesurer par deux valeurs, une direction et une vitesse.
Ce champ de vitesses est dit vectoriel car chaque endroit est représenté par une grandeur qui possède une direction et une magnitude. Cette grandeur est un vecteur, graphiquement, une flèche. La longueur de la flèche représente la magnitude du vecteur, dans notre cas, la vitesse. La direction de la flèche représente la direction du vecteur.

En physique classique, si on souhaite se représenter un champ par une image approximative, le plus simple est d'imaginer une étendue liquide, un lac par exemple.
A chaque endroit et à chaque instant, il y a un mouvement des molécules d'eau qu'on peut mesurer par une valeur vectorielle.
Lorsque le lac est dans son état d'équilibre, c'est-à-dire dans son état de plus basse énergie que l'on peut appeler l'état fondamental, rien ne se passe, c'est le calme plat. Chaque vecteur v = [x, y] a une composante nulle, c'est-à-dire que v = [0, 0]. Le champ de vitesses des molécules d'eau est immobile, vide, plat et invisible dans un espace à deux dimensions.
Si le vent se lève, une énergie va être apportée au lac, les molécules d'eau vont s'agiter et des vaguelettes discernables vont se former.
Chaque vitesse de molécule d'eau va devenir mesurable par un vecteur non nul. Chaque vecteur va représenter une source d'énergie qui génère une influence sur l'espace environnant. Alors que le champ était vide, plat et invisible, il va se manifester et apparaitre en trois dimensions. Un champ physique est alors créé. En d'autres termes, le champ physique peut être considéré comme une manifestation de la présence d'une source d'énergie. Le champ ne représente pas directement la source mais permet de décrire, dans notre cas, comment les propriétés physiques du lac varient en chaque point de l'espace.

En physique quantique, les champs sont plus compliqués à imaginer.

Par exemple:
• Le champ électromagnétique est créé par des charges électriques en mouvement, telles que les électrons, qui sont une source d'énergie. Dans ce cas, le champ lui-même représente la distribution des champs électrique et magnétique dans l'espace. Le champ électromagnétique est une combinaison des champs électrique et magnétique qui se propage dans l'espace sous forme d'ondes électromagnétiques.

• Le champ quantique des électrons est spinoriel, à chaque endroit et à chaque instant, on peut mesurer le comportement du spin de l'électron par une fonction d'onde spinorielle. C'est une fonction mathématique complexe qui caractérise l'état quantique de l'électron en fonction de sa position, du temps et de son spin. Les mouvements quantiques de l'électron, tels que son spin, créent également des champs magnétiques. Le spin est une propriété intrinsèque des particules qui est liée à leur moment magnétique.

En conclusion, Le champ quantique des électrons, des photons, des protons, et de toutes les particules élémentaires, est un concept théorique important pour comprendre les propriétés quantiques des systèmes où tous les champs fondamentaux des particules se superposent.
Lorsque tous ces champs sont dans leur état fondamental, de plus basse énergie, on est dans le vide quantique, une mer calme remplie de toutes les particules sans énergie et indétectables. Cependant, le vide quantique n’est pas un « néant absolu », car il fluctue en permanence et donne naissance à des paires de particules éphémères appelées « paires de particules virtuelles ». Ces paires de particules virtuelles apparaissent et disparaissent si rapidement que leur effet net sur l'espace-temps est négligeable. Ces fluctuations du vide peuvent être interprétées comme un champ quantique qui existe même en l'absence de particules réelles. Il suffira d'apporter une source d'énergie à ce champ quantique pour que surgisse une vaguelette du vide, une particule.

Concept de champ en physique

Image approximative d'un champ

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