Théorie Quantique des Champs : Tout est Champs

Les champs du réel

Introduction à la théorie quantique des champs

Lorsque l'on veut parler de la matière et de son comportement dans le monde de l'infiniment petit, celui des particules, on aborde la théorie quantique des champs. La théorie quantique des champs permet de comprendre la physique des particules. Dans certaines situations, le nombre de particules qui entre dans une portion d'espace-temps, fluctue et diffère du nombre sortant.
Le nombre de particules change lorsque, par exemple, un atome dans un état initial donne un atome plus 1 photon dans un état final. Autrement dit, un photon est sorti soudainement du vide et est apparu dans le champ électromagnétique. La théorie quantique nous dit que dans le monde réel, tout est "champ".

Les champs, supports de l’énergie de l’Univers

Nous baignons entièrement jusqu'au plus profond de nous-même dans des champs multiples, diverses aux caractéristiques étonnantes. Le champ est un concept fondamental en physique, il n'est constitué de rien d'autre, c'est lui-même qui constitue le monde réel. Les champs portent l'énergie de tout ce qui existe dans l'univers, des atomes aux grandes structures galactiques.
Le magnétisme, la gravitation, la force nucléaire, la lumière, la matière et bien d'autres phénomènes physiques sont portés par des champs. Le plus surprenant, c'est que la matière elle-même, celle dont nous sommes fait, est constituée d'un ensemble de champs. Les électrons et les protons sont aussi des champs, ainsi nous sommes constitués de champs échappant à l'intuition.
En d'autres termes, nous sommes fait d'un agrégat de fantomatiques particules quantiques baignant dans des champs. Ces champs portent l'énergie des particules dans tout l'espace disponible autour d'elles.

Interactions et particules dans les champs

Avec la notion de champ, la vision de la nature des choses est bouleversante, la réalité devient étrange et échappe à nos 5 principaux sens. La réalité ne s'explique pas simplement par la présence de matière, mais aussi par les échanges et les interactions entre les objets réels et les objets virtuels des champs quantiques de basse énergie.
Dans le monde quantique toutes les particules du modèle standard, les fermions et les bosons, émergent de vibrations dans un champ. C'est d'ailleurs le concept de base du fonctionnement des accélérateurs de particules comme le Grand collisionneur de hadrons (LHC). Lorsque les scientifiques veulent voir une particule, ils provoquent des collisions dont l'énergie correspond à la particule en question.
Les quarks et les électrons constituent la matière ordinaire, or la matière au-dessus du zéro absolu (-273,15 °C) émet de la radiation, c'est-à-dire de la lumière qui se déplace dans un champ. Chaque type de fermion et chaque type de boson a son propre champ. Les particules sont considérées comme des états excités de ces champs.

La dualité onde-corpuscule et l’intuition

La "dualité onde-corpuscule" de la lumière a été étendue aux électrons en 1929 par le mathématicien et physicien français Louis de Broglie (1892 − 1987) puis à toutes les particules. Cependant notre esprit a besoin d'image de notre monde pour nourrir son intuition et se représenter les concepts.
Mais conceptualiser la quantique et l'ensemble des champs quantiques dans lesquelles nous existons n'est pas facile. Tout est "champ" or les champs quantiques qui sont des systèmes dynamiques bouillonnants et chargés sont tous des sous-ensembles du champ gravitationnel ou du champ électromagnétique, les deux seuls champs fondamentaux de la nature.

Qu'est-ce qu'un champ ?

Définition générale

En physique, un champ c'est trois choses liées dans un système à grand nombre d'objets. Une portion d'espace délimité, une grandeur physique mesurable et une relation qui lie la portion d'espace à la grandeur physique. En d'autres termes un champ est rempli de grandeurs physiques, d'objets mesurables quantifiables à l'aide d'un instrument où chaque point de la portion d'espace est lié à la grandeur physique par une correspondance ou une fonction. Par exemple, la pression atmosphérique, la température de l'air, la vitesse du vent mais aussi la pluie, le magnétisme, la gravité, la radioactivité, peuvent être représentés par des champs.

Champs scalaires et vectoriels

Les champs sont scalaires ou vectoriels.
Un champ scalaire est mesurable par une simple grandeur. Par exemple, la température ou la masse sont définies par une grandeur physique, mesurable entièrement par une seule valeur.
Un champ vectoriel est associé à une grandeur vectorielle, c'est-à-dire une grandeur dont une seule valeur n'est pas suffisante. Il faut en plus une orientation, c'est-à-dire une direction et un sens comme dans un champ de vitesse du vent.

Représentation et énergie des champs

Comment représenter un champ ?
Pour un champ scalaire il suffit de représenter les espaces où la valeur est identique comme dans un champ de températures ou de pressions (voir 1ère et 3ème imagette).
Pour un champ vectoriel il suffit de représenter les lignes de champ où chaque point est un vecteur champ tangent, comme dans le champ de la direction des vents ou dans un champ magnétique (voir 2ème et 4ème imagette).
L'énergie du champ s'estompe dans l'espace. C'est la raison pour laquelle, en dehors du champ électromagnétique généré par une station de radiodiffusion, on ne capte plus du tout. Lorsqu'on interrompt brutalement un champ électromagnétique, il se produit une étincelle (le champ contient bien une énergie).

Le champ quantique

En physique quantique, on n'utilise pas la notion de corpuscule puisque les particules quantiques ne sont pas des corpuscules mais des grandeurs mathématiques représentées par des vecteurs d'état dans l'espace de Hilbert. Ce concept échappe à l'intuition et à notre vision.

Le champ quantique rempli tout l'espace. C'est un champ vectoriel de particules subatomiques, dont la grandeur est quantifiée (prise dans un ensemble fini de valeurs) et la relation est une fonction d'onde (vecteur d'état). Cela permet de connaitre toute l'information du système et donne à toute particule les propriétés d'interférence typiques d'une onde.
Dans le monde quantique toutes les particules à l'état fondamental (non excité) sont des ondes.
Un champ de hadrons sont des particules virtuelles, des partons (gluons et quarks) qui s'agitent, apparaissant et disparaissant dans l'espace vide.
Un champ porté par la force nucléaire faible est parcouru par des bosons W et Z.
Un champ électromagnétique est parcouru par des photons.
Un champ gravitationnel est parcouru par des "gravitons" (non encore découverts) car la gravitation est une force très faible.
Ainsi, les particules virtuelles et réelles de matière baignent dans ces champs bouillonnants transférant de temps en temps leur énergie. C'est ce que les scientifiques provoquent dans un collisionneur. Dans un collisionneur, lorsqu'un électron et un positron se rencontrent, ils s'annihilent et transfèrent leur énergie au fourmillement du vide. Cette énergie crée de vraies particules matérielles qui sortent du vide et apparaissent quelques "instants" sur les écrans d'ordinateurs.

Énergie et fréquence d’un champ

Un champ est donc un système bouillonnant occupant tout l'espace, une ondulation, une vibration, une oscillation, une vague qui possède une longueur d'onde et donc une fréquence.
Grâce à la formule e=hν de Max Planck (1858 − 1947), un champ a aussi une énergie (e est l'énergie de quelque chose qui bouge, h est la constante de Planck et ν, la lettre grecque nu, la fréquence). Ce couple de valeurs, énergie et fréquence, caractérise le champ en chaque point de l'espace. Chaque point de l'espace permet l'émergence ou l'annihilation de particules.