introduction

1 Fonction d'onde
2 mesures
3 Enchevêtrement
Chapitre 4
5 interactions
6 Théorie des champs effectifs
échelle 7
8 Symétrie
théorie de la jauge 9
10 prix
11 substances
12 atomes

Annexe Transformée de Fourier
Note du traducteur
Recherche

Des fonctions d'onde à la théorie quantique des champs et au modèle standard de la physique des particules
Cours de physique quantique de Sean Carroll pour l'ère quantique
L'histoire de la physique est jalonnée d'innombrables idées brillantes et novatrices.
Mais selon Sean Carroll, professeur de physique théorique à l'université Johns Hopkins et auteur de ce livre, il n'y a eu que deux véritables bouleversements révolutionnaires — des changements de paradigme qui ont renversé la pensée conventionnelle sur la nature de la réalité.
Il s'agit de la mécanique classique de la fin du XVIIe siècle et de la mécanique quantique du début du XXe siècle.

Deuxième tome de la trilogie « Les plus grandes idées de l'univers », cet ouvrage couvre le cœur de la physique moderne, depuis les concepts fondamentaux de la mécanique quantique jusqu'à la théorie quantique des champs et le modèle standard de la physique des particules.
Alors que l'ouvrage précédent, Espace, Temps et Mouvement, traitait de la mécanique classique et de la théorie de la relativité, ce livre explore le monde de la théorie quantique des champs, actuellement reconnue comme la seule méthode fiable pour expliquer l'univers au niveau le plus profond.

Dans la première partie de cet ouvrage, les lecteurs découvriront des sujets théoriques profonds tels que les fonctions d'onde, l'intrication, les champs, les diagrammes de Feynman et le mécanisme de Higgs ; dans la seconde partie, ils comprendront de quoi l'univers est réellement constitué, pourquoi la matière est solide, pourquoi l'antimatière existe, d'où provient la taille d'un atome et pourquoi les prédictions de la théorie quantique des champs sont si précises.
Ce livre sera le « plus grand » voyage, guidant les lecteurs vers l'essence de l'univers, au-delà de Newton et d'Einstein, et même au-delà de la pensée intuitive qui a guidé l'humanité pendant des milliers d'années.
Sean Carroll, considéré comme l'un des plus grands commentateurs scientifiques au monde, aidera les lecteurs à comprendre la façon de penser des physiciens à travers ce livre, qui contient certains des concepts scientifiques les plus étonnants que l'humanité ait jamais découverts.



Un voyage aux vérités les plus fondamentales atteintes par la physique moderne
Le besoin de mécanique quantique a été soulevé pour la première fois par les recherches de Max Planck et d'Albert Einstein, qui ont montré que la lumière, contrairement aux attentes des physiciens, n'était pas une simple onde.
Dans certaines conditions, la lumière se comporte comme des particules, que nous appelons aujourd'hui photons.
Un photon est un exemple de quantum, un paquet d'énergie discret qui obéit aux règles de la mécanique quantique.
Mais la physique quantique est plus complexe que cela.
Ce que nous considérons comme des particules, comme les électrons, les protons et les neutrons, se comporte comme des ondes dans d'autres situations.
Les physiciens furent perplexes lorsqu'ils découvrirent que les atomes et les sous-atomes possédaient simultanément des propriétés corpusculaires et ondulatoires qui contredisaient le bon sens.

Bien qu'il n'existe pas de consensus sur la définition exacte de la mécanique quantique, les physiciens l'ont utilisée pour prédire la structure des atomes et des molécules et pour calculer avec précision la manière dont les particules se diffusent les unes par rapport aux autres.
Mais en même temps, il n'y a pas de consensus sur ce qui se passe dans le processus d'élaboration de leurs prédictions et observations.
Contrairement à la physique classique, dans le monde quantique, les actes mêmes de « mesure » et d’« observation » semblent conférer au système des propriétés particulières.
Autrement dit, lorsque l'on mesure les propriétés d'un système quantique, ces propriétés ont tendance à changer radicalement.
La mécanique quantique, apparue pour expliquer les mécanismes du monde atomique qui possède à la fois des caractéristiques corpusculaires et ondulatoires, a laissé de nombreux physiciens frustrés et perplexes.

La théorie quantique des champs, qui découle naturellement de la combinaison de la mécanique quantique et des exigences de la relativité restreinte, est actuellement reconnue comme la seule façon d'expliquer l'univers à son niveau le plus profond.
Grâce à la théorie quantique des champs, les physiciens modernes ont pu expliquer divers phénomènes que la physique classique ne pouvait pas expliquer, tels que les diagrammes de Feynman, la renormalisation, la théorie de jauge, la brisure de symétrie et le couplage spin-statistique.
De plus, en exploitant les caractéristiques du quantique, l'humanité est à l'aube d'une ère où l'électronique utilisera des semi-conducteurs, la production d'énergie nucléaire grâce à la fission nucléaire, et l'informatique et la communication quantiques exploiteront les propriétés quantiques.



Quels sont les principes et les forces cachées qui régissent l'univers ?
Après la mécanique classique, l'exploration de la théorie quantique des champs permet une compréhension plus complète de l'univers.
Le chapitre 1 de ce livre aborde le concept de « fonction d'onde ».
La fonction d'onde, un concept proposé par Schrödinger pour étendre l'idée d'ondes de matière de Louis de Broglie, spécifie l'état quantique d'un système.
Cependant, alors qu'une seule particule se voit attribuer une seule fonction d'onde à chaque emplacement spatial, les choses ne sont pas aussi simples lorsqu'il y a plus d'une particule.
La fonction d'onde contient la réponse à la question de la discontinuité dans l'univers.
Le chapitre 2 traite du problème de la « mesure ».
En mécanique classique, la mesure ne posait pas de problème.
Il était possible de mesurer avec précision des propriétés telles que la position et la vitesse d'un objet.
Mais en mécanique quantique, c'est différent.
Lorsqu'on mesure les propriétés d'un système quantique, ces propriétés changent radicalement.
Dès que nous mesurons un système quantique, nous observons un aspect partiel et incomplet de son état, et ce faisant, nous modifions irréversiblement cet état.
C’est précisément pourquoi, contrairement à la physique classique, la « mesure » est considérée comme le plus grand défi de la physique quantique.

Le chapitre 3 traite de « l'intrication », qui rend difficile la prédiction des fonctions d'onde.
Dans le monde quantique, l'intrication signifie bien plus qu'une simple corrélation entre des choses qui existent déjà mais qui nous sont inconnues.
Les corrélations de l'intrication quantique existent au-delà des simples relations classiques.
Le chapitre 4 traite du « champ ».
Contrairement à la mécanique classique, en mécanique quantique, un champ est un concept dont l'identité est difficile à définir en un seul mot.
Dans le contexte de la théorie quantique des champs, les champs ne sont pas « faits de » quoi que ce soit.
Le chapitre constitue tout le reste.
Même lorsque l'espace est vide, le champ existe.
Ici, nous explorons non seulement les champs quantiques, mais aussi des concepts de champ tels que la texture du champ, l'énergie du champ, les champs libres, ainsi que la création et la destruction du champ.
Le chapitre 5 examine les « interactions » qui font de notre univers un endroit si intéressant.
L'interaction des particules va au-delà du concept de « diffusion », car les vibrations de certains champs se chevauchent et ces vibrations induisent des vibrations d'autres champs qui se combinent, provoquant une quantité infinie d'activité.
Le chapitre 6 traite de la « théorie effective des champs », que l'on peut considérer comme un concept absolument fondamental de la physique moderne.
La théorie effective des champs est définie comme un ensemble de constantes de couplage effectives et a été étendue à divers sujets en cosmologie, tels que la croissance des structures et la génération d'ondes gravitationnelles par des trous noirs en spirale.
On peut dire que la théorie effective des champs est au cœur de la physique des particules moderne.



Comment notre univers est-il devenu ce qu'il est aujourd'hui ?
Explorer les différentes propriétés et substances qui caractérisent notre univers
Le thème abordé au chapitre 7 est celui de « l’échelle ».
Sujet relativement facile à visualiser, la notion d'échelle s'intéresse à la composition réelle de notre univers connu, et en particulier aux différentes échelles de masse et d'énergie qui caractérisent notre monde.

Le chapitre 8 traite du concept de « symétrie ».
En mécanique classique, et notamment dans la théorie de la relativité, la symétrie est une théorie très utile.
Mais en matière de théorie quantique des champs, la symétrie passe du statut de concept utile à celui de concept « absolument essentiel ».
En un sens, les forces de la nature découlent directement d'une symétrie particulière des champs fondamentaux, connue sous le nom d'« invariance de jauge ».

Le sujet abordé au chapitre 9 est relativement peu connu et s'intitule « théorie de la jauge ».
La théorie de jauge est une théorie des champs particulière dotée d'un type de symétrie particulier.
L'idée en elle-même est simple, mais le concept a des conséquences énormes.
Car c'est un principe puissant qui soutient la puissance de la nature.
Le thème du chapitre 10, « phase », fait référence à un état dans lequel une seule substance présente de multiples propriétés physiques, et est un terme emprunté à la physique macroscopique.
Bien que les substances soient constituées du même matériau de base, leurs phases peuvent présenter des propriétés différentes, telles que la densité ou la vitesse du son au sein de la substance.

Le chapitre 11 commence par une question très simple sur la « matière ».
« Pourquoi les atomes sont-ils durs ? » « Comment peut-on rassembler un groupe d'atomes pour former un objet ? » La véritable raison pour laquelle la matière est dure est que les électrons sont des fermions, et que les fermions possèdent des propriétés particulières.
Nous examinons ici les propriétés des fermions et leur relation avec les particules fermioniques et le spin.

Le chapitre 12 explore l’« atome », qui est l’élément le plus étroitement lié à la formation de notre univers.
Ce qui rend notre univers intéressant et complexe, c'est la multitude de noyaux atomiques stables, chargés positivement, capables de capturer des électrons, permettant ainsi l'émergence de nombreuses formes de chimie différentes.
Si les paramètres de la physique des particules avaient été ne serait-ce qu'un peu différents, notre univers aurait été complètement différent, ou il n'y aurait eu ni atomes, ni chimie, ni vie.