Moret-Bailly
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Sur la théorie quantique
Cette
présentation est seulement destinée à orienter le lecteur vers des textes plus
complets accessibles par le web.
L'abondance des connaissances apportées par le
développement des sciences amène leur enseignement à devenir une nouvelle
scolastique. Le caractère apparemment absolu des connaissances conduit à une
assurance exactement opposée, compte tenu de la faiblesse de notre esprit, au
nécessaire esprit critique de soi-même et d'autrui. L'objet de mes recherches
actuelles est une tentative d'apporter une
pierre à quelques critiques
trop négligées quoique supportées par de grands scientifiques.
· Critique des principes de la mécanique quantique.
La relation de Planck E=hν est antérieure à la
mécanique quantique, et elle fait aussi partie de la théorise classique. La
mécanique quantique que j'ai pratiquée et enseignée pendant quarante ans a été
l'objet de nombreuses critiques, en particulier, dès sa fondation, par
Ehrenfest et Einstein; ces critiques, contrairement à celles qui ont été
opposées à la Relativité ne s'affaiblissent pas avec le temps. On ne peut
évidemment nier l'apport du formalisme quantique, mais comment ne pas s'étonner
de la quasi-absence de relation entre le formalisme et les principes posés par
l'École de Copenhague ?
Le formalisme quantique est d'une part une phénoménologie
constituée de développements mathématiques parfois contradictoires, d'autre
part un ensemble de règles justifiées par les résultats ou des raisonnements
classiques. Cette phénoménologie peut être aussi bien rattachée à la théorie
classique, les états propres de l'énergie d'un système étant des minimums
relatifs de son potentiel.
· Expériences suggérées par les principes la mécanique quantique.
Des expériences, souvent coûteuses ont pour objet soit de
démontrer une supériorité de la théorie quantique sur la théorie classique,
soit d'utiliser cette "supériorité" pour promouvoir des concepts
miraculeux comme la "téléportation".
Toutes les tentatives visant à montrer une supériorité
des principes quantiques reposent sur des erreurs, par exemple un calcul classique erroné de la visibilité
des interférences du quatrième ordre. Ces erreurs reposent, en optique sur
l'ignorance (volontaire ?) qu'en théorie classique l'absorption de la lumière
émise par les innombrables sources qui nous entourent est relativement lente,
de sorte que nous baignons dans un "champ du point zéro" dont
l'équilibre avec la matière explique, par exemple, que les électrons ne tombent
pas sur les noyaux atomiques.
Le qualificatif "quantique" conduit à des
prétentions qui heurtent l'esprit scientifique et qui, jusqu'à présent n'ont
conduit à aucun résultat pérenne, donc valable. La dernière invention est la
"cryptographie quantique" qui se prétend capable d'envoyer un message
avec l'assurance que toute interception est détectable ou inutilisable. Deux
arguments déduits des postulats quantiques, donc essentiellement discutables,
justifient cette prétention :
Le premier est que les bits du message sont constitués
pas des photons insécables dont l'interception par un espion peut être
détectée; c'est ignorer la détection non destructive des signaux optiques, par
exemple par étude de la polarisation créée par le passage d'une impulsion de
lumière; c'est ignorer aussi la présence d'amplificateurs dans tout réseau réel
de fibres optiques.
Le second est que l'on peut utiliser des "photons
jumeaux" dans des expériences du type EPR; on se lance dans de coûteuses
expériences en vraie grandeur, comme s'il s'agissait d'"avions
renifleurs", sans avoir tenté la réalisation d'une expérience de
laboratoire cruciale : le signal fourni par l'émetteur serait séparé en deux
signaux envoyés à deux récepteurs identiques jouant, par une sélection
aléatoire révélée seulement en fin d'expérience, alternativement le rôle de
récepteur et d'espion; le récepteur détectant en premier le signal devrait seul
avoir une réception corrélée avec celle de l'émetteur.
· Dangerosité des principes la mécanique quantique.
Beaucoup de physiciens, en particulier quasiment tous les
astrophysiciens, considèrent le photon comme une particule insécable diffusée
par les molécules suivant les règles de Compton. Il existe pourtant
d'innombrables contre-exemples, comme la réfraction de la lumière. Pour
expliquer la réfraction en parvenant au résultat classique, la théorie
quantique explique qu'il faut traiter l'ensemble des photons et l'ensemble des
atomes constituant le corps réfringent. Ainsi, on retrouve la polarisation de
la matière qui est une absorption d'énergie souvent transitoire, non
quantifiée.
Il ne semble pas facile de comprendre de façon quantique
que la matière et la lumière ont finalement un comportement classique; pour
preuve, les plus grands spécialistes de la mécanique quantique ont nié que le
maser pût fonctionner avant que l'expérience prouve le contraire.
Ce vice de l'esprit handicape l'astrophysique depuis des
décennies. Beaucoup d'astrophysiciens ont, comme Pecker il y a une vingtaine
d'années, jugé que le déplacement des fréquences des raies spectrales vues dans
les spectres de la plupart des astres n'est pas uniquement dû à l'effet
Doppler, c'est à dire à l'éloignement continu de ces astres; ils ont bien
proposé des interactions de la lumière avec la matière, mais obnubilés par le
photon, ils n'ont pensé qu'à des variantes des diffusions Raman et Compton qui
sont inacceptables car leur effet est très faible et il ne pourrait que
troubler les images et les spectres.
Les utilisateurs de lasers impulsionnels étudient depuis
longtemps des effets Raman cohérents qui modifient les fréquences sans troubler
les images, mais les caractéristiques de la lumière naturelle diffèrent tant
des caractéristiques de la lumière des lasers permettant l'observation qu'ils
n'ont pas, semble-t-il, songé à une application en astrophysique. Une prise en
compte de l'effet Raman cohérent en lumière naturelle permet de proposer un modèle très simple d'astres
nommés "quasars", modèle qui explique des caractéristiques
spectrales si étonnantes qu'elles ont suscité de nombreuses théories qui font
appel à d'étranges "matières noires", par exemple.
Une conséquence de la prise en compte de cet effet Raman
cohérent est la disparition des deux "preuves" majeures du "big
bang", le rougissement des galaxies lointaines, et l'existence du
rayonnement thermique à 2,7K.
· Vers
une théorie des particules ?
Le
problème de la dualité onde-corpuscule n'est pas résolu par la mécanique
quantique qui propose au physicien de décider arbitrairement qu'il étudie une
onde ou une particule. De Broglie proposa la théorie de la "double
solution" dans laquelle une "onde pilote" coexiste avec une onde
localisée représentant la particule. Mais il n'est pas parvenu à associer
simplement les deux ondes.
Skyrme
a proposé de représenter les particules par des solitons, c'est à dire des
paquets d'onde stables, mais ses ondes ne sont pas solution d'une équation de
diffusion représentable dans l'espace physique.
En
introduisant une permittivité non-linéaire, fonction convenable du module du
champ électrique, les opticiens construisent des filaments de lumière
rectilignes, stables. En ajoutant une perméabilité non linéaire, nous avons
démontré que les filaments peuvent être courbés et refermés en tores,
formant des solitons tridimensionnels éventuellement statiques qui piègent une
énergie électromagnétique quantifiée, mais interagissent avec des ondes
externes. En particulier un de ces solitons peut interférer avec lui-même en
traversant un des trous d'Young.
Ces
solitons pourraient constituer le support physique de la théorie des cordes.
Mèle
: Jacques.Moret-Bailly@u-bourgogne.fr
Quasars
and Big Bang
·
Introduction.
·
Si la lettre grecque "pi" n'apparaît pas ici π,
essayer un afficheur HTML plus récent; si aucun ne convient, remplacez avec un
éditeur de texte, dans le présent fichier .HTML, la lettre "&"
par le symbole "*" (ou une autre lettre peu utilisée); les lettres
grecques apparaîtront alors sous la forme "*nom;", par exemple
"*pi;".
Les molécules mono- ou polyatomiques émettent ou absorbent de la
lumière à des fréquences bien définies; au laboratoire, on obtient ainsi des spectres dont les
raies caractérisent ces molécules.
Les raies qui sont inscrites dans les spectres des astres sont
décalées, en général vers les basses fréquences, c'est à dire, dans le spectre
visible vers le rouge; bien qu'impropre dans le cas de la lumière infrarouge,
le terme "rougissement" sera utilisé pour caractériser les décalages
vers les basses fréquences.
Les décalages sont généralement attribués à l'effet Doppler dû à
une variation de la distance de l'observateur à la source, bien que, il y a
vingt ans des centaines d'articles mettaient cette attribution en doute; une
autre possibilité, formellement équivalente, est que l'Univers (appelé
"ether" au dix-neuvième siècle) est en expansion.
Les nombreuses alternatives à l'effet Doppler qui ont été
proposées ne sont pas convainquantes; parmi elles on trouve la diffusion Raman
ordinaire qui présente plusieurs caractéristiques inacceptables: elle est
faible, elle brouille les images et les spectres.
Inexplicablement l'effet Raman cohérent en
lumière incohérente (ERCLI) n'est jamais pris en compte alors qu'il
n'a pas ces défauts; de plus l'ERCLI produit un rayonnement thermique
qui peut être le rayonnement cosmologique à 2,7K et des rayonnements attribués
à de la poussière chaude.
Le première partie de ce texte explique l'ERCLI, mais le lecteur
peut consulter seulement ses propriétés.
Les théories proposées pour
interpréter les spectres des quasars sont nombreuses, mais le
compromis qui semble se dégager actuellement est si complexe qu'il est peu
crédible; la suite du texte montre que des hypothèses très élémentaires
conduisent à une interprétation de la plupart des observations.
Comme la prise en compte de l'ERCLI paraît nécessaire à la
compréhension des spectres des quasars, ne doit-on pas la prendre en compte
pour critiquer les deux preuves majeures du big-bang?
·
L'Effet Raman Cohérent en Lumière Incohérente (ERCLI)
·
Lorsqu'un impulsion lumineuse de fréquence ν atteint une
molécule dans un état stationnaire d'énergie(ou
état propre) E0, celle-ci est excitée; cette excitation est généralement
transitoire parce qu'en général il n'existe pas un état propre d'énergie E1
tel que la valeur absolue de E1-E0 soit égale à hν.
·
Un calcul classique ou quantique montre que si Ei
représente les énergies d'états propres moléculaires convenables i, la molécule
diffuse la lumière absorbée à des fréquences νi=ν+(E0-
Ei)/h.
·
Dans la suite, nous ne considérerons toujours qu'une seule
transition, une seule onde diffusée, mais pour obtenir un résultat physique il
faudra évidemment effectuer une sommation sur toutes les transitions répondant
aux conditions qui auront été précisées. Une impulsion lumineuse arrive
simultanément en tous les points d'une surface d'onde;
toutes les molécules situées sur cette surface d'onde sont excitées de la même
façon, rayonnent les mêmes fréquences avec les mêmes phases bien qu'il
apparaisse une différence de phase croissante entre l'onde excitatrice et les
ondes diffusées puisqu'elles ont des fréquences différentes; l'enveloppe des
ondelettes sphériques rayonnées par les diverses molécules situées sur la
surface d'onde est une nouvelle surface d'onde; cette dernière coïncide, en
fait, avec une surface d'onde du faisceau de lumière excitatrice, car les
ondelettes rayonnées sont identiques aux ondelettes introduites par
Huyghens pour expliquer la propagation des ondes. Cette diffusion
qui préserve le piqué des images est dite "spatialement cohérente".
·
Cette description ne tient pas compte des chocs entre molécules
qui arrêtent leurs excitations : aux pressions habituelles au laboratoire,
l'excitation d'une molécule commence généralement après un choc, l'onde
diffusée prend la phase de l'onde excitatrice à l'instant du choc, donc les
phases des ondes diffusées sont aléatoires; l'émission de lumière est spatialement
incohérente, c'est à dire sans reconstitution d'une surface d'onde du faisceau
excitateur, l'énergie rayonnée est faible; c'est la diffusion Raman ordinaire.
·
Le raisonnement précédent peut paraître paradoxal car toutes les
molécules interviennent dans la construction des surfaces d'onde alors que
seulement certaines d'entre elles subissent la transition vers l'état d'énergie
Ei. Ce paradoxe est résolu en électrodynamique quantique par le postulat "réduction du
paquet d'onde", et, en théorie classique par un raisonnement
qui fait intervenir le "champ du point
zéro". La résolution de ce paradoxe est nécessaire à
l'explication du fonctionnement des lasers.
Nous supposerons maintenant que le nombre de collisions est
négligeable pendant la durée d'une impulsion. Les impulsions qui constituent la
lumière ordinaire
(temporellement incohérente) ont une durée de l'ordre de 10
nanosecondes; la pression de gaz préservant la cohérence spatiale de la
diffusion dépend de la nature du gaz et de la température; son ordre de
grandeur est de quelques Pascals (La pression atmosphérique normale est 101300
Pascals).
·
Interférence de l'onde diffusée avec l'onde excitatrice.
·
L'interférence de deux ondes de fréquences légèrement différentes
produit des battements: on calcule que la somme des deux fonctions sinusoïdales
est une fonction sinusoïdale unique de fréquence intermédiaire, modulée en
amplitude. Un spectromètre utilise cette modulation pour séparer les deux
fréquences qui ont été mélangées; mais il faut que cette modulation soit
observable! Au début de l'impulsion excitatrice, les ondes incidente et
diffusée sont en phase de sorte que l'amplitude est maximale et sa dérivée est
nulle, l'amplitude varie donc très peu juste après l'instant initial de
l'excitation; si l'impulsion est nettement plus courte que la période des
battements, c'est à dire la période Raman, l'amplitude est pratiquement
constante, on ne peut pas distinguer deux fréquences: la diffusion ne fait pas
apparaître une nouvelle fréquence, mais modifie la fréquence de l'onde
incidente; un calcul élémentaire confirme ce résultat et montre que la
variation relative de fréquence Δν/ν dépend très peu de la
fréquence ν.
·
L'intensité de la diffusion Raman spatialement cohérente étudiée
avec des lasers est limitée car pendant la propagation des deux ondes, il
apparaît une différence de phase qui atteint rapidement π/2 (en
astrophysique en quelques parsecs); ensuite, les phases étant opposées, les
ondes diffusées se détruisent. Pour cette raison, on utilise des astuces au
laboratoire, par exemple la diffraction de l'onde diffusée par un pinceau laser
fin. En astrophysique les faisceaux sont larges, mais, en ERCLI, comme par
interférence les deux ondes fusionnent localement en une onde unique, l'ERCLI
fait intervenir sans limite toutes les molécules placées dans le faisceau de
lumière, le phénomène est intense.
La période de transition Raman doit être notablement supérieure à
la durée des impulsions, soit environ 10 ns, ce qui correspond à une longueur
d'onde de 3 mètres; il faut donc avoir des transitions Raman de très faible
énergie.
·
Les molécules formées d'un ou quelques atomes légers ont des
spectres pauvres, sans transition Raman de très faible énergie, à moins
qu'elles soient polyatomiques et pourvues d'un nombre impair d'électrons; NO
est la seule molécule convenable et stable aux pressions usuelles, mais OH, NH2...ont
été observées dans notre galaxie.
·
Toutes les molécules possèdent un nombre quantique magnétique
généralement noté m ou M dont l'énergie ne dépend pas si la molécule est libre;
sous l'influence d'un champ magnétique ou électrique, l'énergie dépend de ce
nombre (effets Zeeman ou Stark), la molécule devient active en ERCLI. Cependant
tous les niveaux d'énergie ne se décomposent pas en sous-niveaux Zeeman
convenables: ainsi le nombre quantique principal $n$ de l'atome d'hydrogène
neutre doit être au moins égal à 2.
·
La plus simple molécule polyatomique H2+ n'a
probablement pas été observée; cette absence d'observation
peut être due à l'ERCLI.
·
Les transitions Raman peuvent soit augmenter (raies anti-Stokes),
soit diminuer (raies Stokes) l'énergie des molécules, mais, avec une excitation
à partir d'une source chaude, la probabilité pour une augmentation de l'énergie
est plus grande; dans la diffusion Raman ordinaire, la désexcitation des
molécules qui est nécessaire pour que le processus continue est produite
essentiellement par les collisions qui, ici, sont absentes; la désexcitation
radiative qui est nécessaire peut être une émission spontanée,
mais il est plus probable que le rayonnement thermique soit amplifié par un
ERCLI. Les deux ERCLI sont simultanés, ils se combinent en une interaction paramétrique
qui rougit le spectre visible et bleuit, c'est à dire amplifie le spectre
thermique; l'état moléculaire n'est pas modifié : les molécules ont un rôle de
catalyseur.
·
Comparaison de l'ERCLI avec l'"Impulsive Stimulated Raman
Scattering" (ISRS)
·
L'"Impulsive Stimulated Raman Scattering" est une
technique utilisée pour étudier la matière au moyen d'impulsions laser
ultracourtes (femtoseconde). Cette technique diffère de l'ERCLI par l'ordre de
grandeur de la durée des impulsions et de leur puissance :
·
- Le milieu peut être beaucoup plus dense;
·
- Les fréquences Raman peuvent être beaucoup plus hautes
(Infrarouge);
·
- La puissance des impulsions rend l'ISRS non-linéaire, de sorte
que les glissements de fréquence dépendent de l'intensité incidente, les spectres
sont distordus.
·
Résumé des propriétés de l'ERCLI.
·
L'ERCLI transfère de l'énergie d'un faisceau lumineux issu d'une
source chaude à un rayonnement provenant d'une source plus froide (en pratique
au rayonnement thermique). La diminution d'énergie du rayonnement chaud se
traduit par un rougissement tel que la variation relative de fréquence
Δν/ν est presque constante dans le spectre. Les fréquences du
rayonnement froid sont augmentées; si c'est un rayonnement thermique, celui-ci
est simplement chauffé.
·
Les glissements de fréquence résultent d'un effet cohérent qui ne
brouille pas les images et ne génère pas de faisceau parasite; les spectres ne
sont pas abîmés.
·
L'ERCLI résulte de l'intéraction de faisceaux lumineux avec un gaz
qui a un rôle catalytique. La pression de ce gaz doit être très basse, et il
doit posséder des fréquences Raman dans le domaine hertzien : molécule
polyatomique ayant un nombre impair d'électrons ou molécule quelconque soumise
à un champ électrique ou magnétique.
Les quasars sont des astres très chauds n'ayant pas une dimension
angulaire observable; leurs raies d'émission sont très décalées vers le rouge,
de sorte qu'ils sont jugés très lointains et dotés d'une masse énorme.
Leurs raies spectrales ont des rougissements divers. En partant du
plus grand rougissement, donc apparemment en s'éloignant du noyau de l'astre,
on observe :
- des raies d'émission fines;
- souvent des raies d'absorptions fines;
- des raies d'émission et d'absorption larges (10% des quasars);
les quasars qui émettent beaucoup d'ondes dans le domaine radioélectrique n'ont
jamais ce type de raies;
- une forêt de raies d'absorption fines, provenant majoritairement
d'une absorption par les atomes d'hydrogène dans l'ultraviolet lointain (raies
Lyman alpha).
- les quasars dont l'environnement contient beaucoup de matière
sont très rougis (ils semblent très âgés) mais ils peuvent contenir beaucoup de
fer.
Le halo des quasars émet souvent un spectre thermique relativement
chaud (300K) et des microondes dont la polarisation montre l'existence d'un
champ magnétique.
La proportion de raies provenant d'éléments autres que l'hydrogène
décroît régulièrement avec la distance au noyau de l'astre; la température des
absorbants est de l'ordre de 10 000K.
Interprétations usuelles des spectres des
quasars
La forêt Lyα a d'abord été attribuée à une
absorption par des nuages répartis entre l'astre et nous, l'expansion de
l'Univers fournissant les décalages Doppler nécessaires; ensuite, on a pensé
que les nuages sont proches du noyau et que le rougissement est produit par
leur chute vers l'astre, à une vitesse d'une fraction de la vitesse de la
lumière.
Ces deux interprétations ont des failles difficilement
surmontables:
- s'ils sont liés au quasar, les nuages ne peuvent pas atteindre
une vitesse suffisante;
- certains nuages contiennent des atomes susceptibles d'absorber
la lumière des étoiles, mais on en a difficilement vu avec le même décalage
spectral dans le spectre de quelques galaxies angulairement proches d'un
quasar.
On semble donc s'orienter vers une théorie mixte, dans laquelle
certains nuages seraient liés à l'astre, et d'autres éloignés; mais il reste
des difficultés:
- quelle est l'origine des raies larges ? Pourquoi ne les
observe-t-on que dans les quasars qui rayonnent peu de champ radioélectrique ?
- la composition et la répartition statistique des nuages varient
régulièrement, il est difficile de distinguer deux familles de nuages;
- la stabilité des nuages, relativement petits, doit être assurée
par une mystérieuse matière invisible.
- le fer n'est synthétisé que dans les vieilles étoiles; mais il
est abondant dans des quasars très rougis, donc qui ont émis leur lumière
lorsque l'Univers était jeune, suivant la théorie du big bang.
Interprétation élémentaire des spectres
des quasars.
Dans un milieu absorbant et actif en ERCLI, l'absorption et le
glissement vers le rouge sont simultanés, de sorte qu'en sortie du milieu, il y
a eu absorption entre la fréquence rougie par la traversée de tout le milieu et
la fréquence en sortie qui est la fréquence propre d'absorption; la raie
d'absorption est ainsi élargie; si l'élargissement est grand, la raie est
faible, en pratique inobservable.
Nous supposons que
l'astre est formé d'un noyau brillant entouré d'un halo chaud dans lequel la
densité et la proportion d'éléments autres que l'hydrogène décroissent avec la
distance; un disque analogue, à la taille près, aux anneaux de Saturne tourne
autour du quasar, dans le halo. A plus grande distance se trouvent des
satellites pourvus de champs magnétiques, comme la Terre.
Lorsque la lumière traverse une région où le champ est
pratiquement nul, on a une simple absorption qui inscrit une raie Lyα
dans le spectre; ailleurs le spectre est décalé sans absorption visible. Ainsi
les raies Lyα observées correspondent aux zéros du champ
magnétique. Le calcul montre que,
si le champ magnétique est assez intense, les raies conservent leur finesse,
mais qu'elles acquièrent des pieds importants.
La friction due à la rotation du disque dans le halo charge
électriquement ses éléments comme la chute des gouttes d'eau charge ces
dernières dans un nuage terrestre. Lors d'un éclair apparaît un courant
électrique réparti dans le volume du nuage; de même une région du disque peut
se décharger par un courant électrique lamellaire qui rayonne surtout
perpendiculairement à la surface du disque : un quasar bruyant en radioondes
est un quasar observé dans une direction voisine de l'axe du disque.
La charge d'un des anneaux formant le disque engendre, du fait de
la rotation, un champ magnétique dont les lignes de force sont, à proximité du
disque, perpendiculaires à celui-ci. Comme des nuages, des portions du disque
peuvent se charger avec des signes différents, de sorte qu'à proximité de
l'anneau il existe des surfaces neutres sur lesquelles le champ est nul. Ainsi
les lignes de vue qui passent près du disque traversent un champ magnétique
variable dont les zéros laissent s'inscrire une raie qui peut être large s'il
subsiste un faible champ résiduel. En supposant que les dimensions des
structures magnétiques crées par le disque ne sont pas grandes par rapport au
diamètre du noyau du quasar, les rayons parallèles à une ligne de vue, mais
provenant de divers points de la surface du noyau ne rencontrent pas les lignes
de champ dans des conditions exactement identiques, de sorte que les
absorptions n'apparaissent pas exactement à la même position, d'où, en
moyennant, une autre origine possible de largeur des raies. Les raies
n'apparaissent que pour des directions d'observation faisant avec l'axe du
disque un angle voisin de π/2, donc avec des conditions d'observation qui
rendent le quasar "peu bruyant" en radiofréquences.
Supposons qu'au delà de l'anneau, un champ magnétique variable
dans l'espace est créé, par exemple, par de nombreux satellites tournant dans
tous les sens et possédant, comme la Terre, un champ magnétique; à notre
échelle des temps, ces satellites paraissent fixes sauf s'ils produisent des
éclipses observées par des variations rapides des flux lumineux reçus.
Sur la ligne de vue, loin des satellites, le champ magnétique est
quasiment nul, les raies de la "forêt Lyman" s'inscrivent dans le
spectre. Au passage près d'un satellite, le spectre est déplacé vers le rouge,
de sorte qu'il y a décalage de la raie inscrite ensuite. On montre que l'atome
d'hydrogène neutre n'est actif en ERCLI qu'après une excitation Lyman, ce qui
produit une non-linéarité qui affine les raies.
Les petites variations des rougissements relatifs, habituellement
attribués à une variation de la constante de structure fine, correspondent
simplement à la dispersion de la diffusion Raman.
Le spectre thermique n'est pas dû à des poussières chaudes, mais à
l'ERCLI; comme son émission est dans une large part isotrope, il provient
principalement du halo.
Une comparaison de spectres bien résolus obtenus à plusieurs
années d'écart permettrait un choix entre cette origine de la forêt Lyman et
l'origine standard.
De bons spectres sont nécessaires au choix d'une de ces
possibilités.
·
Conclusion: Disparition des preuves majeures du Big Bang.
L'existence de l'ERCLI a été démontrée et publiée dans plusieurs
bonnes revues d'optique, mais l'impossibilité probable de l'observer au
laboratoire autrement que sous sa forme non-linéaire ISRS, a pu rendre certains
astrophysiciens sceptiques. La simplicité de l'interprétation des spectres des
quasars en tenant compte de l'ERCLI est une véritable vérification
expérimentale de la théorie.
L'expansion de l'Univers à partir d'une origine ponctuelle, ou
"Big bang" a deux justifications majeures :
- Le rougissement des spectres des astres lointains semble prouver
que l'Univers est en expansion;
- Un rayonnement électromagnétique thermique à 2.7K
paraît dû au refroidissement par expansion d'un Univers initial très chaud.
Des justifications mineures, comme la composition isotopique des
éléments résultent d'hypothèses complexes donc très discutables.
Les deux "preuves" majeures du big bang disparaissent si
on suppose que l'espace intergalactique contient des molécules actives en
ERCLI; la détermination théorique de la densité moyenne nécessaire, quelques molécules par litre est peu précise;
améliorer la précision demandera un difficile travail de spectroscopie et
d'astrophysique.
Les molécules actives pourraient être des
molécules de H2+; en effet H2, probablement
abondant dans les régions froides de l'Univers, peut être ionisé par
l'ultraviolet et H2+ est très stable s'il n'y a pas de
collisions; son absorption n'est pas détectable car, à basse pression l'ERCLI
diffuse ses nombreuses raies spectrales, et si la pression augmente H2+
est détruit par collisions avant disparition de l'ERCLI.
·
Glossaire
Remarquons d'abord que le bilan de l'émission d'un champ
électromagnétique par un objet peut être positif, négatif ou nul, selon le
résultat de l'interférence du champ émis avec des champs extérieurs.
Les spectroscopistes attribuent les absorptions et émissions de
lumière par les molécules à des oscillateurs ponctuels dipolaires ou
quadrupolaires, ce qui est une très bonne approximation. L'onde émise par une
source en un point A est ainsi infinie en A, finie ailleurs. Cette onde est
absorbée si on lui additionne une onde exactement opposée qui ne peut être
engendrée que par un nombre infini de sources émettant une onde finie en A,
c'est à dire de sources ponctuelles en des points différents de A. Ainsi, en
physique classique, l'onde émise par une molécule ne peut être absorbée que par
un grand nombre de molécules, ce qui prend beaucoup de temps: il existe donc un
champ résiduel appelé "champ du point zéro".
Planck et Nernst ont calculé l'amplitude moyenne de ce champ:
l'énergie électromagnétique d'une solution des équations de Maxwell (ou mode du champ) dans
un corps noir à
température absolue T est, d'après la première loi de Planck
hν/(exp(hν/kT)-1); la thermodynamique enseigne que ce doit être kT à
haute température alors qu'un développement de la formule pour T grand donne
kT- hν/2; la première loi de Planck doit donc être corrigée en écrivant
que l'énergie dans un mode est hν/(exp(hν/kT)-1)+hν/2. On
interprète hν/2 comme l'énergie moyenne du champ du point zéro dans le
mode.
L'existence du champ du point zéro permet d'identifier l'énergie
dans un mode à l'énergie d'un oscillateur harmonique quantique; c'est le
fondement de l'électrodynamique quantique. En négligeant le champ du point zéro
dans des conditions où il n'est pas négligeable, quelques auteurs
"montrent" que la théorie classique serait
inexacte, alors que l'électrodynamique quantique serait la seule exacte.
Pour étudier la propagation des ondes dans un milieu isotrope,
Huyghens construit une surface d'onde inconnue à partir d'une surface d'onde
proche de la façon suivante :
Il suppose que tous les points de la surface d'onde connue
émettent des ondes sphériques représentées après un court instant de
propagation par des petites surfaces d'onde sphériques, ou
"ondelettes"; l'enveloppe de ces ondelettes est une nouvelle surface
d'onde.
La géométrie de la construction d'Huyghens est identique à la
géométrie de la diffusion cohérente, bien que phénomène soit très différent: en
diffusion cohérente les sources sont réelles et leur nombre est grand, mais
fini.
La diffusion Raman est une interaction entre une molécule mono- ou
polyatomique et deux ondes électromagnétiques de fréquences différentes; une
d'entre elles est absorbée par la molécule, l'autre est émise. La différence
des fréquences de ces ondes νa- νb appelée
fréquence Raman est, au facteur h près, égale à la différence des énergies des niveaux de départ
et d'arrivée. On peut se représenter l'effet Raman en supposant qu'un premier
oscillateur est excité par l'onde incidente, et que cet oscillateur transfère
de l'énergie à un second oscillateur source du rayonnement diffusé.
Habituellement, pendant une impulsion de lumière, les molécules
subissent de nombreux chocs qui les désexcitent, de sorte que l'instant de
départ de l'excitation est différent pour chaque molécule; les phases des ondes
émises sont quelconques, la diffusion Raman ordinaire est incohérente donc
faible et peu orientée.
Lorsqu'une source monochromatique d'ondes électromagnétiques et un
récepteur s'éloignent, leur distance augmente; comme la longueur d'onde peut
être prise comme unité de longueur, le nombre de longueurs d'onde entre la
source et le récepteur augmente, c'est à dire le nombre d'arches de sinusoïde
entre la source et le récepteur augmente, la fréquence de réception de ces
arches décroît: il y a abaissement de la fréquence reçue, un décalage des
fréquences vers le rouge si on reçoit une lumière visible. Cet effet est
observé en acoustique lorsqu'un véhicule bruyant passe à côté d'un observateur.
L'effet opposé se produit lorsque source et observateur se rapprochent.
En 1917, Einstein distingua les émissions "spontanées"
qui se produisent même dans l'obscurité et les émissions "induites"
qui sont des amplifications de l'énergie contenue dans un mode du champ.
L'étude des lasers vérifie que l'émission spontanée est une émission induite
par le "champ du point
zéro".
L'émission de lumière par une source est toujours limitée dans le
temps; lorsque la source est un gaz dilué chaud ou excité par une décharge
électrique, l'émission de lumière est discontinue, formée d'impulsions dont la
durée est de l'ordre de 10 nanosecondes ( 10-8 s ); à plus haute
pression, ou dans un milieu dense, les durées d'émission sont encore plus
courtes. Comme les impulsions sont indépendantes, leurs phases à l'origine sont
quelconques, incohérentes.
Un milieu est isotrope si ses propriétés ne dépendent pas de la
direction; les milieux anisotropes sont les cristaux (mais certains sont
optiquement isotropes), et les milieux soumis à un champ électrique,
magnétique, à une pression, etc.
Modes du champ électromagnétique.
Considérons les équations de Maxwell dans un milieu linéaire (le
vide par exemple) avec des conditions aux limites fixées. En raison de la
linéarité des équations, la somme de deux solutions est une solution.
On appelle "mode" une solution quelconque de ces
équations. Deux modes sont "orthogonaux" si l'énergie de leur somme
est la somme de leurs énergies. Un système complet de modes (de préférence
orthogonaux) permet de développer un mode quelconque sous forme d'une
combinaison linéaire. Les théoriciens utilisent souvent comme système de modes
les ondes planes limitées par une boîte parfaitement conductrice en forme de
parallélépipède rectangle; ce système de modes n'est évidemment pas adapté à
l'étude d'un système physique réel.
Niveaux d'énergie d'une molécule mono- ou
polyatomique.
A l'équilibre, les atomes et les molécules sont dans des
"états" bien définis repérés par un ensemble de paramètres nommés
"indices quantiques". Les indices quantiques utilisés pour l'étude
des atomes légers sont simplement des nombres. Lorsque plusieurs états
correspondent à la même énergie, ils sont dits "dégénérés". En
particulier, lorsqu'une molécule n'est pas soumise à une perturbation externe,
son énergie est indépendante de son orientation à laquelle correspond un indice
quantique qui peut être un "nombre quantique magnétique" m ou M.
Une molécule peut passer d'un état d'énergie E1 à un
état d'énergie E2 par interaction avec une onde électromagnétique;
alors E1-E2=hν , où ν est la fréquence de
l'onde; on peut, en théorie classique, considérer que ν est la fréquence
d'un oscillateur interne à la molécule.
Les champs électriques et magnétiques dépendant du temps t se
propagent; ils vérifient un système d'équations dit "équations de
Maxwell" qui permettent, en particulier de déduire le champ magnétique du
champ électrique, de sorte qu'il suffit d'étudier le champ électrique. Une
solution des équations de Maxwell est appelée "champ électromagnétique"
ou "onde électromagnétique". Un champ électromagnétique simple est
décrit, dans un repère trirectangle Oxyz , par un champ électrique ayant
seulement une composante Ex parallèle à Ox , dont la valeur est: E=Ex=E0sin
(2πν( t-z/λ)+φ) Cette onde sinusoïdale est plane car E ne
dépend pas de x et y ; comme la fréquence ν est unique, l'onde est
monochromatique; λ est sa longueur d'onde ; sa vitesse de propagation
λν est, dans le vide une constante universelle c très proche de 300
000 km/s. φ est la phase à l'origine qui dépend de l'origine de la
variable temps.
Une onde sinusoïdale plane n'est pas physiquement réalisable car
elle a une extension infinie dans l'espace et le temps; mais on peut obtenir
une onde ayant des propriétés voisines, par exemple en utilisant un laser. En
pratique, si la période T=1/ν est beaucoup plus courte que la durée
d'observation, une onde est considérée comme monochromatique.
La longueur d'onde peut varier de plusieurs kilomètres à quelques
millimètres en radio, descendre à 0,8 micromètres en infrarouge, puis à 0,4
micromètres en lumière visible, beaucoup plus en ultra-violet puis rayons X et
gamma.
Le terme "lumière", sans le qualificatif
"visible" sera souvent utilisé à la place d'"onde électromagnétique"
quelle que soit la longueur d'onde.
Planck et Einstein ont montré que l'énergie E échangée entre un
champ électromagnétique de fréquence ν et une molécule qui change d'état
stationnaire vérifie la relation E = hν, où h est la constante de Planck.
Plus tard, pour fonder l'électrodynamique quantique, cette énergie fut
considérée comme un quantum de lumière, une particule nommée
"photon". Les observations spectroscopiques à très haute résolution
qui ont commencé à l'époque de Michelson montrent que la lumière incohérente
naturelle est constituée d'impulsions dont la durée peut atteindre 10
nanosecondes (10- 8s). Une particule est un objet qui ne peut être
fractionné sans perdre l'essentiel de ses propriétés. En fractionnant la
bouteille de vin que l'on vient d'acheter, on obtient des débris de verre et on
perd le vin. Mais "bouteille de vin" peut aussi désigner seulement le
contenu de la bouteille. En électrodynamique quantique, le photon est une
particule qui ne peut pas être fractionnée, alors qu'en électrodynamique
classique c'est simplement une énergie hν.
Dans le vide, un métal pur éclairé à une fréquence ν émet des
électrons si la fréquence ν est supérieure à une fréquence limite ν0;
l'énergie cinétique des électrons émis par une couche mince du métal est égale à
h(ν-ν0), où h est la constante trouvée par Planck en
étudiant le rayonnement du corps noir. Einstein en a déduit qu'arracher un
électron d'un atome du métal demande une énergie hν0. Plus
généralement, lorsqu'une molécule passe d'un état stationnaire (c'est à dire
d'équilibre) d'énergie E0 à un état stationnaire d'énergie E1,
la molécule perd algébriquement une énergie E0 - E1
correspondant à un échange d'énergie de module hν avec une onde
électromagnétique de fréquence ν. L'électrodynamique quantique suppose que
cette énergie hν est celle d'une particule, le "photon",
formant le champ électromagnétique; l'électrodynamique classique utilise
parfois par commodité le terme "photon", mais ce
"photon"est la quantité d'énergie hν, non une particule.
Rayonnement thermique et corps noir.
La gueule d'un four, petite ouverture d'une grande cavité, est
noire lorsque le four est froid, elle est appelée "corps noir". Lorsque
le four est uniformément chaud (en fait à toute température, mais on ne le voit
pas à l'oeil), elle rayonne un spectre continu formé d'une infinité de
fréquences, qui constituent le spectre thermique ou spectre du corps noir.
Lorsqu'on élève la température du corps noir, l'intensité augmente plus
rapidement aux hautes fréquences qu'aux basses, de sorte que le spectre se
déplace vers les courtes longueurs d'onde. Le spectre du corps noir, ou spectre
thermique est entièrement défini par la température du corps noir.
Comme l'électrodynamique quantique suppose l'existence de
particules de champ électromagnétique, les "photons"
d'énergie hν, il faut, conformément aux principes de la mécanique
quantique, définir une onde qui donne la probabilité de présence des photons;
le champ électromagnétique classique joue le rôle de cette onde de probabilité,
mais lorsque le photon est absorbé par une molécule, la probabilité se
transforme en certitude de sorte que le champ électromagnétique initial est
remplacé par un nouveau champ: c'est le postulat "réduction du paquet
d'onde". En conséquence le champ électromagnétique perd sa réalité physique.
Au contraire, en électrodynamique classique le champ
électromagnétique existe réellement en chaque point; il faut expliquer par
exemple:
- que, dans un milieu amplificateur d'un laser, un nombre fini de
sources pratiquement ponctuelles génère une onde plane;
- qu'un champ électromagnétique de très faible intensité excite de
temps en temps un récepteur photoélectrique.
La démonstration de la
"réduction du paquet d'onde" en théorie classique fait
appel au champ du point zéro
Rougissement des spectres des astres.
Les fréquences de raies spectrales observées en astrophysique sont
généralement différentes des fréquences observées au laboratoire. Les
variations de fréquence sont attribuées à un effet Doppler; la
variation relative de fréquence Δν/ν devrait être la même pour
toutes les fréquences &n , alors que des écarts sont observés dans les
spectres de certains quasars.
Les spectres des astres sont d'autant plus déplacés vers le rouge
que les astres sont lointains : Interprétant les rougissements par un effet
Doppler, les galaxies nous fuient, Univers est en expansion.
Une onde électromagnétique
peut, conformément à la théorie de Fourier, être décomposée en une somme
d'ondes monochromatiques qui constitue son spectre.
Un spectre est dit discret ou polychromatique s'il constitué d'un
assez petit nombre d'ondes monochromatiques. On observe les raies spectrales
correspondant à ces ondes monochromatiques en décomposant un pinceau de lumière
par un prisme ou d'autres appareils.
Un spectre polychromatique émis par un gaz atomique chaud est
généralement constitué de peu de raies brillantes: c'est un spectre d'émission.
Un spectre est dit continu dans une certaine gamme de fréquences
s'il n'apparaît pas de variation rapide d'intensité en fonction de la
fréquence.
L'absorption d'un faisceau ayant un spectre continu par un gaz
plus froid que la source de lumière fait apparaître des raies d'absorption
sombres : on a un spectre d'absorption.
Les fréquences, les intensités relatives des raies d'émission ou
d'absorption caractérisent les gaz dilués; les spectres de la matière dense sont
souvent trop flous pour le permettre.
On appelle surface d'onde (ou surface équiphase) une surface sur
laquelle l'onde émise par une source a une phase donnée; par exemple, les surfaces d'onde formées par une source ponctuelle dans un milieu
homogène et isotrope sont des
sphères centrées sur la source. Les rayons lumineux sont normaux aux surfaces
d'onde . A la surface d'un liquide, les cercles produits par la chute d'un
petit objet matérialisent des lignes d'onde, équivalentes aux surfaces d'onde
dans l'espace.
Remerciement.
Je remercie Charles Weber pour les nombreux et
utiles échanges de courrier lors de la rédaction de cette page.
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Quasars and Big Bang [Version
française]
Asunto: debate about Big-Bang and materialism
Fecha: Mon, 12 Nov 2001 10:25:09 +0100
De: Jacques Moret-Bailly <jmoret@u-bourgogne.fr>
Responder a: Jacques.Moret-Bailly@u-bourgogne.fr
Empresa: Laboratoire de physique Université de Bourgogne BP47870 F-21078 Dijon cedexD
A: Rafael.Pla@uv.es
A long time ago, people tried to explain the redshifts without expansion of the Universe, or Doppler effect. They proposed ordinary Raman effect, but it blurs the images and the spectra, thus it cannot work.
In 1968, redshifts were observed by an interaction of ultrashort laser pulses with matter. This observation led to the development of the "Impulsive Stimulated Raman Spectroscopy" (ISRS) about which there are lots of publications.
Making, for my students a classification of the linear light matter interactions, I found a white box that I filled by an optical effect which I name now "time-Incoherent Light space-Coherent Raman Scattering" (ILCRS) This effect redshifts the hot light beams of ordinary incoherent light (Hot being defined from Planck's law) and may be confused with a Doppler effect: it does not blur the images, nor the spectra, and the relative frequency shift \Delta\nu/\nu is nearly constant in the spectra. More, the energy lost by the frequency shift is transferred to cold beams (In particular to the thermal 2.7K radiation).
ILCRS is an avatar of ISRS corresponding to the replacement of the short, powerful laser pulses by the much longer and less powerful pulses which make the ordinary incoherent light. This replacement has quantitative effects:
- To produce ILCRS, the matter must be very low pressure gas
- This gas must have Raman transitions in the radiofrequencies region; thus it must have hyperfine structure; it may be molecules having an odd number of electrons, any atom or molecule with Stark or Zeeman effect,...
- It has a qualitative effect: while ISRS is nonlinear and produces redshifts which depend on the intensity, ILCRS is linear, it does not distort the spectra. A consequence of ILCRS is that molecules which are destroyed by their first collision, such as H2+ cannot be observed !
The two main "proofs" of the big bang may fail!
You can see references (in good reviews of optics) in my last
manuscript: arXiv:astro-ph/0110525.
I am a criticist of the principles of quantum mechanics (not of its formalism which I taught 40 years); if you are interested, look for my manuscript on arXiv.
I wish to discuss of those problems; if you know names of interested
people, please send me references.
With best regards
Jacques Moret-Bailly