Un chercheur postule que les électrons tournent, grâce à leurs champs

Un chercheur postule que les électrons tournent, grâce à leurs champs

Si le champ de Dirac classique a une densité de charge à symétrie sphérique avec une charge totale -2e, on pourrait imaginer de nombreuses façons de décomposer cette densité de charge en contributions distinctes de deux électrons distincts. Il peut y avoir deux électrons avec la même distribution de charge, ou un électron responsable de la moitié supérieure de la distribution de charge totale et un autre responsable de la moitié inférieure. La deuxième alternative aurait une plus grande énergie d’auto-répulsion et une plus petite énergie de répulsion entre les électrons (avec l’énergie totale de répulsion électrostatique la même que dans la première alternative). Crédit: arXiv (2022). DOI : 10.48550/arxiv.2206.09472

Au plus profond de toute matière dans l’univers, les électrons bourdonnent et se comportent comme s’ils tournoyaient sur leurs axes comme des toupies. Ces électrons “en rotation” sont fondamentaux pour la physique quantique et jouent un rôle central dans notre compréhension des atomes et des molécules. D’autres particules subatomiques tournent également, et l’étude du spin a des applications techniques dans les domaines de la chimie, de la physique, de la médecine et de l’électronique informatique.

Mais de nombreux physiciens vous diront que les électrons ne tournent pas vraiment, ils agissent simplement comme eux. Par exemple, les électrons ont un moment cinétique, qui est la tendance de quelque chose à continuer de tourner – comme une roue de bicyclette en mouvement ou un patineur qui tourne – et parce qu’ils ont cette propriété, on pourrait conclure qu’ils tournent. Une autre preuve vient du fait que les électrons agissent comme de petits aimants et que les champs magnétiques proviennent de corps chargés en rotation.

Le problème avec la notion que les électrons tournent est qu’en raison de leur taille minuscule, les électrons devraient tourner plus vite que la vitesse de la lumière pour correspondre aux valeurs de moment cinétique observées. (Pensez à un électron comme un patineur qui tourne avec les bras repliés vers l’intérieur : plus la taille globale est petite, plus il tourne vite.)

Chip Sebens, professeur adjoint de philosophie au Caltech, veut retourner à la planche à dessin et repenser cette notion. En tant que philosophe de la physique, il veut comprendre ce qui se passe réellement aux niveaux les plus profonds de la nature.

“Les philosophes ont tendance à être attirés par des problèmes qui n’ont pas été résolus depuis très longtemps”, explique Sebens. “Dans mécanique quantiquenous avons des moyens de prédire les résultats d’expériences qui fonctionnent très bien pour les électrons et tiennent compte du spin, mais d’importantes questions fondamentales restent sans réponse : pourquoi ces méthodes fonctionnent-elles et que se passe-t-il à l’intérieur d’un atome ? »

À cette fin, Sebens a expliqué pourquoi il pense que les électrons et autres particules subatomiques tournent en fait. La réponse a à voir avec les champs.

Dans la nature, il y a à la fois des particules et des champs. Les physiciens ont tendance à penser que les champs sont plus fondamentaux que les particules, mais les philosophes de la physique débattent encore de l’entité la plus fondamentale. Par exemple, la lumière peut être décrite comme un faisceau de photons ou comme une onde dans le champ électromagnétique. Ce domaine scientifique s’appelle théorie quantique des champs. Le regretté Richard Feynman, physicien de Caltech et lauréat du prix Nobel, a travaillé sur des aspects de cette théorie en créant ses célèbres diagrammes de Feynman, qui cartographient les interactions entre les particules comme les électrons et les photons, décrivant indirectement les champs. “La théorie quantique des champs est la meilleure physique que nous ayons”, déclare Sebens.

Dans plusieurs études, dont un article récent dans la revue la synthèseSebens explique pourquoi il pense qu’un électron n’est pas une particule de la taille d’un point qui agit simplement comme si elle tournait, mais plutôt une goutte de charge étalée qui tourne vraiment. Pour en revenir à l’analogie du patineur sur glace, l’électron est plutôt comme un patineur avec les bras écartés vers l’extérieur.

“Dans un atome, l’électron est souvent représenté comme un nuage montrant où l’électron pourrait être trouvé, mais je pense que l’électron est en fait physiquement réparti sur ce nuage”, déclare Sebens.

Avec la taille de l’électron étalée, l’électron est maintenant assez grand pour éviter le problème d’avoir à se déplacer plus vite que la vitesse de la lumière. Dans ce cas, explique Sebens, il y a deux champs importants : le champ électromagnétique ainsi que ce qu’on appelle le champ de Dirac, du nom du physicien Paul Dirac. “Tout comme le Champ électromagnétique décrit les photons, le champ de Dirac décrit les électrons et les positrons », dit-il. Le positron est l’antiparticule de l’électron.

La recherche fait partie d’un effort global de Sebens pour répondre à la question de savoir si la nature est, à la base, construite à partir de champs ou de particules. Dans le même la synthèse article, Sebens soutient que les champs sont de nature plus fondamentale.

Une partie de son argumentation est basée sur le spin. Comme mentionné ci-dessus, une approche de champ donne un sens à la confusion qui survient avec les électrons en rotation. Il soutient également que l’approche de champ aide à résoudre une autre question importante concernant les électrons : comment électrons répondent aux champs électromagnétiques qu’ils créent ? Si l’électron est une boule de charge de la taille d’un point, le champ qu’il crée est infiniment fort à l’emplacement de l’électron. Cela signifie que le champ n’aurait pas de direction définie et donc pas de forces définies, ce qui entraîne des problèmes de calcul des forces. Mais si l’électron était plutôt un champ de charge étendu, les forces sur les différentes parties de l’électron seraient finies avec des directions bien définies.

“Cela rend le problème d’auto-interaction moins grave”, écrit Sebens dans un Essai d’éon sur les éléments fondamentaux de la nature. “Mais ce n’est pas résolu. Si la charge de l’électron est étalée, pourquoi les différentes parties de l’électron ne se repoussent-elles pas pour que l’électron explose rapidement ?”

Sebens aborde ce problème d’auto-répulsion dans ses recherches en cours. Les réponses à ce problème et à d’autres qu’il étudie pourraient finalement conduire à de nouvelles et meilleures façons de calculer et de mesurer des quantités en physique quantique. Le travail peut même conduire à de nouvelles façons de répondre à une question en cours dans la physique quantique appelé le problème de la mesure quantique. Lors de la mesure d’un système quantique, tel qu’un électron dans un état de superposition (dans deux états à la fois), le système s’effondrera et l’électron prendra un état ou un autre. Les physiciens débattent encore pourquoi cela se produit. La recherche sur les fondements fondamentaux du fonctionnement des particules et des champs pourrait aider à résoudre le mystère.

Sebens écrit dans l’essai Aeon : “Parfois, les progrès en physique nécessitent d’abord de revenir en arrière pour réexaminer, réinterpréter et réviser les théories que nous avons déjà. Pour faire ce type de recherche, nous avons besoin de chercheurs qui mélangent les rôles de physicien et de philosophe, comme c’était le cas fait il y a des milliers d’années dans la Grèce antique.”

Plus d’information:
Charles T. Sebens, La fondamentalité des champs, la synthèse (2022). DOI : 10.1007/s11229-022-03844-2

Charles T. Sebens, Élimination de l’auto-répulsion des électrons, arXiv (2022). DOI : 10.48550/arxiv.2206.09472

Informations sur la revue :
arXiv


Citation: Un chercheur postule que les électrons tournent, grâce à leurs champs (18 janvier 2023) récupéré le 18 janvier 2023 sur https://phys.org/news/2023-01-posits-electrons-fields.html

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