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Le champ caché derrière les champs
Comment un électron peut-il sentir un aimant dont il ne s'approche jamais ?
Fais d'abord ceci · À essayer à la maison
Deux sortes d'ondes, un après-midi
Commence avec tes mains. La lecture sera bien plus claire ensuite.
Il vous faut : Une longue corde à sauter ou un lacet, une table en bois, et un ami
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Qu'est-ce que je dois observer ?
Observez : La vague de la corde bouge en travers de son trajet. C'est ainsi que marche la lumière. Le coup que tu entends voyage en serrant le bois dans le sens de son trajet. Cela s'appelle longitudinal. C'est ainsi que marche le son. Les deux sont réels, et ils se comportent de façon très différente.
Continue la lecture pour savoir pourquoi cela arrive.
La grande idée
Une chose invisible peut te changer, même là où rien ne te pousse.
- potentiel
- Une disponibilité cachée dans l'espace. Elle peut changer les choses sans les pousser.
- phase
- Où en est une vague dans son mouvement de haut en bas, comme un pas dans une danse.
- longitudinale
- Une onde qui serre dans le sens où elle avance, comme le fait le son.
Comment un électron peut-il sentir un aimant dont il ne s'approche jamais ?
Imagine deux cyclistes sur une route en anneau autour d'un moulin à vent. L'un roule dans le sens des aiguilles, l'autre dans l'autre sens. Un doux tourbillon d'air tourne autour du moulin. Rien du tout ne souffle sur la route elle-même.
Pourtant, quand les deux cyclistes se retrouvent, ils ne sont plus au même pas. L'un a eu le tourbillon derrière lui tout le trajet. Cela arrive pour de vrai, et cela arrive aux électrons.
Ce que nous savons avec certitude
Commençons par un vieux calcul astucieux. En 1904, un mathématicien nommé E. T. Whittaker a montré une jolie chose. Tout le champ électrique et magnétique se reconstruit à partir de deux choses plus simples. On les appelle des potentiels.
Les potentiels ont l'air moins réels que les champs. Un champ te pousse. Un potentiel reste là, tout prêt. Pendant des années, on les a donc pris pour de la simple comptabilité.
Puis, en 1959, deux physiciens ont proposé un test magnifique. Ils s'appelaient Yakir Aharonov et David Bohm. Emballe un aimant pour qu'à l'extérieur le champ magnétique soit exactement zéro. Envoie ensuite des électrons autour, par deux chemins différents.
Rien ne pousse ces électrons. Ils ne devraient rien remarquer. Et pourtant si. Ils reviennent avec leurs ondes décalées, exactement comme prévu.
En 1986, une équipe dirigée par Akira Tonomura l'a mesuré magnifiquement. C'est aujourd'hui de la physique tranchée, celle des manuels. Un potentiel peut changer la matière là où aucune force n'agit.
Utilise le diagramme ci-dessous comme un modèle, pas comme l'image de la bobine du jardin. Le petit cercle contient le flux magnétique confiné. Déplace la commande de flux et regarde le motif du détecteur glisser. Les deux trajets des électrons restent sans champ.
L'interféromètre avec le champ éteint
Séparez un faisceau d'électrons, envoyez les deux moitiés de part et d'autre d'un flux magnétique entièrement confiné et entièrement blindé, puis réunissez-les. Sur les trajets eux-mêmes le champ magnétique est exactement nul — le couloir ombré ci-dessous est sans champ sur toute sa longueur. Le potentiel vecteur, lui, n'y est pas nul, et les franges se déplacent. Réglez le flux enlacé et regardez le motif glisser latéralement d'exactement une frange par quantum de flux. Essayez ensuite la seconde commande. Elle change la jauge — le potentiel lui-même, en chaque point des deux trajets, comme le montrent les flèches — et les franges ne bougent pas du tout. Les deux commandes sont actives ; une seule change quelque chose qu'un détecteur puisse voir.
- Trajet supérieur
- Trajet inférieur
- Flux confiné
- Potentiel vecteur sur les trajets
Ce qui se passe: Le flux enlacé est proche d'un nombre entier de quanta, donc le motif est proche de sa position de départ. Ajouter un quantum entier reproduit le motif.
- Champ magnétique sur les trajets électroniques
- nul, pour tout réglage
- Potentiel vecteur sur le trajet supérieur, dans cette jauge
- 0,00 nWb/m
- Potentiel vecteur sur le trajet inférieur, dans cette jauge
- 0,00 nWb/m
- Phase que la jauge ajoute à chaque moitié
- 0,00 radians — la même pour les deux moitiés, donc elle s'annule
- Différence de phase entre les deux moitiés
- 0,00 radians
- Décalage des franges
- 0,00 largeurs de frange
- Ce qu'aucun choix de jauge ne peut changer
- le champ sur les trajets, la différence de phase, le décalage des franges
Le flux enlacé contrôle la phase relative. Changer la jauge change le potentiel attribué à chaque point, pas la différence de phase observable ni le motif de franges. Cet instrument calcule la phase et l'interférence, pas l'énergie stockée ni la puissance fournie.
Qu'il ne se passe rien est ici le résultat, et non une commande cassée. Le potentiel n'est pas unique : pour toute fonction régulière χ vous pouvez remplacer A par A + ∇χ, ce qui change le potentiel en chaque point et ne change le champ magnétique nulle part, car le rotationnel d'un gradient est nul. Cet instrument effectue réellement cette substitution, puis intègre le potentiel complet, terme de jauge compris, le long de la boucle fermée que les deux moitiés du faisceau forment entre elles. Chaque moitié acquiert bien une phase due au terme de jauge — exactement 2λ radians dans cette famille — et les deux acquièrent la même, si bien qu'elle s'annule dans leur différence. Ce qui subsiste est l'intégrale de boucle, c'est-à-dire le flux enlacé, et c'est cela l'observable.
L'expérience de Tonomura en 1986 a répondu à l'objection évidente par construction : le flux se trouvait dans un aimant torique entouré d'un blindage supraconducteur, si bien que le champ résiduel n'était pas seulement faible sur l'onde électronique, il en était exclu. Le décalage était toujours là, et c'était toujours une frange par quantum de flux.
Un schéma idéal à deux trajets comparant des valeurs stables du flux, pas une reconstruction exacte de l'appareil ni une simulation du flux variant au cours du temps. Un flux magnétique qui varie réellement peut induire un champ électrique. L'énergie du faisceau, la longueur des trajets, la taille de l'aimant et l'intensité absolue ne sont pas modélisées. Φ₀ = h/e ≈ 4.136e-15 Wb.
La fiche source : Tonomura et al. 1986, Evidence for Aharonov–Bohm effect with magnetic field completely shielded from electron wave
Ce que les scientifiques testent en ce moment
Voici la frontière. Les ondes lumineuses ondulent sur les côtés, en travers de leur trajet. Le son, lui, serre dans le sens de son trajet. Le son est longitudinal.
Une onde électrique peut-elle être longitudinale ? À trois endroits, oui, absolument. Juste à côté d'une antenne. À l'intérieur d'un plasma. Et le long de la surface du sol ou de la mer. Les ingénieurs travaillent avec ces trois cas.
La question ouverte, c'est l'espace vide. Une onde électrique longitudinale pourrait-elle traverser le vide en portant de l'énergie ? Des inventeurs disent oui, et des brevets décrivent des machines.
Le test est simple et pas cher. Mets un compteur sur chaque fil qui entre dans la machine. Puis mesure tout ce qui sort. S'il sort plus que ce qui est entré, c'est une nouvelle énorme.
Personne n'a encore publié cette mesure. Les scientifiques testent cette idée. Ce site racontera la réponse quand elle arrivera.
Pourquoi c'est important
Pense à ce qu'un potentiel te donne. C'est une façon de changer une chose sans la bousculer.
C'est un type de contrôle complètement différent. Les supraconducteurs s'en servent déjà, et la leçon suivante le met au travail.
À toi de jouer
Si rien n'a poussé les électrons, qu'est-ce qui les a changés ? Et comment reconnaîtrais-tu un vrai effet nouveau d'un fil que tu as oublié ?
Personne n'a encore refermé cette question. Le test tient sur un banc d'école. Peut-être que tu le feras.