Le nombre de particules désigne le décompte des particules élémentaires (telles que les électrons, les photons ou les quarks) dans un système donné. En physique classique, ce nombre est généralement fixe, mais dans les théories quantiques relativistes—en particulier la théorie quantique des champs—le nombre de particules n'est pas conservé. Les particules peuvent être créées et détruites par des interactions, et même le vide peut fluctuer avec des paires virtuelles particule-antiparticule.
Histoire
La non-conservation du nombre de particules est apparue dans les années 1930 avec le développement de l'électrodynamique quantique, notamment grâce aux travaux de Paul Dirac et plus tard au programme de renormalisation des années 1940. Toutes les implications ont été clarifiées avec l'avènement de la théorie quantique des champs.
Comment ça marche
Dans la théorie quantique des champs, les particules sont des excitations des champs sous-jacents. L'opérateur nombre, qui compte les particules, ne commute pas avec le hamiltonien dans les théories avec interactions, ce qui signifie que le nombre de particules peut changer au cours du temps. Par exemple, un électron et un positron peuvent s'annihiler pour produire deux photons, et un photon de haute énergie peut créer une paire électron-positron. Le concept de nombre de particules devient particulièrement subtil dans un espace-temps courbe, où un observateur accéléré perçoit un contenu en particules différent de celui d'un observateur inertiel (effet Unruh).
En pratique
La non-conservation du nombre de particules est essentielle dans les accélérateurs de particules, où les collisions créent de nouvelles particules, et en cosmologie, où la création de particules dans l'univers primordial explique l'asymétrie matière-antimatière.
Anecdote
Dans le modèle standard, le nombre baryonique total (un type de nombre de particules) est conservé avec une grande précision, mais certains processus comme les sphalerons peuvent le violer, ce qui pourrait expliquer pourquoi l'univers contient plus de matière que d'antimatière.
Quand un noyau atomique lourd se scinde en deux fragments, il reste entre eux un fil quantique invisible. Ce fil, c'est l'intrication : l'état d'un fragment est instantanément lié à celui de l'autre, comme s'ils ne formaient encore qu'un seul tout.
Le monde quantique est plein d'étranges connexions. Deux particules peuvent se retrouver « intriquées » : l'état de l'une influence instantanément l'autre, même si des kilomètres les séparent. Mais comment savoir si elles sont réellement intriquées ?
Les sursauts radio rapides (sursaut radio rapide) – des balises mystérieuses de l'Univers, émettant en quelques millisecondes une énergie comparable à celle du Soleil en un siècle.
Les neutrinos sont de véritables fantômes du monde microscopique. Presque sans masse, sans charge, ils traversent les planètes comme si elles étaient vides. Mais à l'intérieur de chaque neutrino se cache non pas une particule, mais trois — trois « saveurs » (électronique, muonique et tau) qui se transforment constamment les unes dans les autres.
Un billard bien étrange, si les boules n'avaient pas de masse. Elles ne se heurteraient pas, mais se traverseraient sans se soucier des obstacles. C'est à peu près à cela que ressemble la tentative de se représenter la lumière comme un flux de particules classiques – de petits corpuscules élastiques filant en ligne droite. Une nouvelle démonstration met un terme à cette image.
La lumière qui tombe dans un trou noir transporte de l'information — par exemple, le chemin qu'a suivi un photon. L'horizon (la surface sous laquelle rien ne revient) réagit en modifiant son entropie — une mesure du désordre, comparable au nombre de pages mélangées dans un livre.
La gravité, c'est comme un trampoline tendu : les corps massifs le creusent, et les autres corps roulent vers eux. Cette courbure générale de l'espace — courbure de l'espace-temps — agit sur tout le monde, mais elle ne transmet pas de messages secrets.
La grande énigme de la physique est de concilier la courbure de l'espace-temps avec la mécanique quantique. À la longueur de Planck, des milliards de milliards de fois plus petite qu'un atome, les lois cessent de fonctionner. Cette frontière a été ouverte par Max Planck.
Essayer de supprimer le bruit de fond d'une pièce en ajoutant un contre-son se termine par un hurlement des haut-parleurs si le schéma comporte une erreur. Un raté similaire s'est produit avec la théorie qui prétendait éliminer le principal grondement du cosmos — l'énergie noire, inexplicablement faible.
La lumière est faite de paquets : les photons. Max Planck fut le premier à comprendre que la lumière est émise par quanta. Aujourd'hui, on sait diriger des photons uniques. Lorsqu'un tel photon rencontre un obturateur rapide, on ne peut pas le couper en deux — le demi-photon n'existe pas.
La lumière frappe une plaque de métal et des électrons s'en échappent. C'est l'effet photoélectrique, qui ne se produit que si la lumière a assez d'énergie pour franchir le seuil qui retient les électrons à l'intérieur.
