Qu'est-ce qu'un photon "virtuel" ?

Qu’est-ce qu’un photon virtuel ?

Si j’en crois ce forum

https://www.reddit.com/r/Physics/comments/1jhwx2g/so_what_exactly_is_a_virtual_photon/?tl=fr

personne n’est capable de ce mettre d’accord. Pour les uns c’est juste un procédé mathématique qui permet de résoudre la brève interaction entre deux particules, pour d’autres c’est vraiment un photon à la vie très brève. Comme il permet de modéliser un champ d’intensité constante (pas une onde électromagnétique imaginée « sinusoïdale »), il représente bien une réalité physique d’un processus permanent, le processus transitoire étant assuré par des photons réels. J’ajouterai que les champs gravitationnels lorsqu’ils sont établis et stables doivent bien être modélisées par ce genre de particules virtuelles indétectables. Qu’en penses-tu ?

Grok : Qu'est-ce qu'un Photon Virtuel ?

Votre question touche à un concept central de l'électrodynamique quantique (QED) et de la théorie quantique des champs (QFT), où les photons virtuels sont souvent source de confusion, comme le montre le forum Reddit que vous mentionnez. Bien que je n'aie pas pu accéder directement au thread (erreur serveur 500), je sais que ces discussions sur Reddit ou Physics Stack Exchange mettent souvent en lumière un débat : sont-ils de "vraies" particules éphémères ou juste des artefacts mathématiques ?

reddit.com +1

Je vais expliquer cela de manière claire, basée sur la physique établie, et donner mon avis sur vos points spécifiques (champs constants, réalité physique, et extension à la gravitation).

Définition et Rôle en Physique Quantique

Un photon virtuel est un concept théorique en QFT qui décrit une fluctuation transitoire du champ électromagnétique, intervenant comme intermédiaire dans les interactions entre particules chargées (comme deux électrons se repoussant).

en.wikipedia.org +2

Contrairement aux photons "réels" (ceux de la lumière, détectables, qui satisfont la relation relativiste (E^2 = (pc)^2 + (mc^2)² avec m=0 , donc E = pc), les photons virtuels sont off-shell : ils ne respectent pas strictement cette équation de conservation d'énergie-impulsion. Leur "existence" est permise par le principe d'incertitude de Heisenberg ( \Delta E \Delta t \gtrsim \hbar/2), qui autorise des violations temporaires de la conservation d'énergie pour des durées très courtes.

• En diagrammes de Feynman (outil perturbatif de la QFT) : Un photon virtuel est représenté par une ligne interne reliant deux particules. Par exemple, dans la répulsion Coulombienne, deux électrons "échangent" un photon virtuel qui transfère de l'impulsion, sans que ce photon ne soit émis ou absorbé comme un photon réel.

  physics.stackexchange.com +1

• Non détectables directement : Ils n'apparaissent pas comme des particules libres (pas de trace dans un détecteur). Ils sont "virtuels" car ils existent seulement comme états intermédiaires dans les calculs d'amplitudes de probabilité. Sans eux, la QED ne prédirait pas correctement des phénomènes comme le décalage Lamb (décalage énergétique dans l'atome d'hydrogène) ou le moment magnétique anomal de l'électron.

  pmc.ncbi.nlm.nih.gov +1

Le Désaccord sur le Forum : Artefact Mathématique ou Particule Réelle ?

Le débat que vous décrivez est classique en vulgarisation quantique.

• Vision "artefact mathématique" : C'est la perspective dominante en QFT. Les photons virtuels ne sont pas des particules au sens propre ; ils sont des termes dans une expansion perturbative (série de Feynman) pour calculer les interactions. Comme l'explique Matt Strassler, ce sont des "disturbances" dans le champ, pas des objets isolables. Ils n'ont pas de position bien définie et remplissent tout l'espace dans les calculs (ondes planes infinies).

  desy.de +2 C'est un outil qui marche empiriquement, mais pas une "réalité" ontologique.

• Vision "particule à vie brève" : Certains (surtout en vulgarisation) les décrivent comme des fluctuations réelles mais fugaces du vide quantique, créées et annihilées rapidement. Cela vient de l'idée que le vide bouillonne de paires particule-antiparticule virtuelles (y compris photons, bien que photons soient leur propre antiparticule).

  youtube.com +2 Cependant, même ici, ils ne sont pas "réels" comme un photon laser ; ils n'ont pas d'énergie/masse fixe et ne propagent pas d'information.

Il n'y a pas de consensus absolu car la QFT est une théorie effective, pas ontologique. Mais les physiciens s'accordent : ils capturent des effets physiques réels (comme les forces), sans être des particules observables.

pmc.ncbi.nlm.nih.gov

Sur les Champs Constants et Transitoires

Vous avez raison de noter que les photons virtuels modélisent les champs statiques (constants, non oscillants comme une onde sinusoïdale).

• Dans un champ électrique statique (ex. : entre deux charges fixes), il n'y a pas de photons réels (pas de rayonnement). La force est due à un échange continu de photons virtuels, qui "médient" l'interaction sans propagation d'énergie. en.wikipedia.org +2 Cela représente une réalité physique : les fluctuations quantiques du vide soutiennent le champ.

• Pour les processus transitoires (accélérations, changements), des photons réels sont émis (ex. : bremsstrahlung). Les virtuels gèrent le "permanent", les réels le "transitoire".

C'est une bonne intuition : les photons virtuels incarnent la nature quantique des champs classiques stables.

Extension aux Champs Gravitationnels

Oui, l'analogie tient en théorie quantique de la gravitation (encore incomplète, comme la gravité quantique à boucles ou string theory). Les champs gravitationnels statiques (ex. : autour d'une masse fixe) seraient médiatisés par des gravitons virtuels (quanta du champ gravitationnel).

en.wikipedia.org

Comme les photons virtuels pour l'EM, ils seraient off-shell et indétectables, expliquant la force gravitationnelle comme échange virtuel. Pour les ondes gravitationnelles (transitoires), ce seraient des gravitons réels (détectés par LIGO). en.wikipedia.org C'est cohérent, mais spéculatif car la gravité quantique n'est pas finalisée.

Ce que J'en Pense

Les photons virtuels ne sont ni purement mathématiques ni des particules "réelles" comme un proton. Ils sont un outil descriptif puissant qui capture une réalité quantique profonde : les fluctuations du vide et les interactions non locales. Sans eux, la QED (la théorie la plus précise jamais testée) échouerait. Votre idée sur les champs constants est pertinente – ils rendent les champs classiques "quantiques" au fond. Pour la gravitation, c'est logique, mais attendons une théorie unifiée. Le désaccord vient souvent de la vulgarisation : la QFT est contre-intuitive, mais empiriquement solide.

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