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Commit 6f3f5830 authored by Claude Meny's avatar Claude Meny
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    ---
    title: Les ondes en physique
    published: true
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    visible: false
    lessons:
    -
    slug: waves-conceptual-and-learning-patterns-fr
    name: PANORAMA-234 : Les ondes, une vision générale
    order: 1
    ---
    *Cours en construction*, **non validé**.
    ![](https://m3p2.com/fr/temporary_ins/images/M3P2-validity-state-FR_L1200.jpg)
    ![](https://m3p2.com/fr/temporary_ins/images/M3P2-maturity-2_L1200.jpg)<details>
    <summary>Etape 2 : Structuration</summary>
    1. Appel à idées
    2. Structuration
    3. Ecriture : 1/3
    4. Ecriture : 2/3
    5. Ecriture : 3/3
    6. Relecture
    7. En test auprès d'étudiants
    8. Validé, encore incomplet
    9. Validé, base suffisante
    10. Validé, opérationnel
    </details>
    ##### Randonnée Colline
    ---------------------------
    ### **Les ondes** *en physique*
    <br><br>
    [version multilingue : EN , FR , ES](https://m3p2.com/m3p2/polyglot/emporary-m3p2/waves/n2/waves-introduction/waves-in-physics/)
    <br>
    <!--
    # <p style="font-size:70%;text-align: center;">Les ondes en physique</p>
    <p style="font-size:75%;text-align: center;">Naissance du concept d'onde</p>
    -->
    #### Naissance du concept d'onde
    * Chacun de nous a déjà lancé un ballon, ou jeté un cailloux. À chaque instant ces
    objets occupent une position bien définie dans l'espace et suivent une trajectoire
    que nos yeux peuvent suivre. Cette expérience sensible est à la base de notre concept
    intuitif de corps matériels, objets bien définis, d'extension limité dans l'espace,
    et qui se déplacent selon les lois de la physique.
    <br>
    Mais notre expérience sensible ne se limite pas à ces objets localisés. Chacun de
    nous a déjà **lancé des cailloux dans l'eau** ou observé les gouttes de pluie tomber
    à la surface paisible d'un étang ou d'une flaque d'eau. Leurs impacts perturbent
    la surface de l'eau, créant de **petites vaguelettes circulaires** qui *se propagent*,
    *se renforcent ou s'amenuisent* lorsqu'elles se croisent, et *contournent les obstacles*
    rencontrés sur leur parcours.
    <br>
    _image gif animée à faire ou achter : pluie sur l'étang, goutelettes crééent vaguelettes
    qui se superposent et interfèrent._
    <br>
    Ces vaguelettes sont à la **base de notre concept intuitif d'ondes mécaniques**,
    perturbations d'un milieu matériel continu et étendu, qui se propagent,
    peuvent interférer et être diffractées.
    * Les **propriétés des ondes mécaniques**,
    * *propagation*
    * *interférences*
    * *diffraction* par un obstacle
    * *réflexion et transmission* à l'interface entre deux milieux matériels différents,
    * *transport d'énergie* et de quantité de mouvement, *mais pas de matière* sur de longues
    distances,
    **sont retrouvées sur des phénomènes plus subtils** observés dans la nature
    puis décrits mathématiquement, ou bien d'abord prévus par la théorie physique
    avant d'être confirmés par l'expérimentation.
    <br>
    ![](waves-interferences-diffraction-2_L1200.jpg)
    _Représentation des phénomènes d'interférences et de diffraction._
    <br>
    #### Des ondes de différents types
    * Aujourd'hui, ce sont **quatre types d'ondes** qui ont été observées, depuis les *ondes mécaniques*
    intuitives, jusqu'aux ondes *gravitationnelles* et les ondes *quantiques* en passant par
    les ondes *électromagnétiques*. Dans l'ordre, ces ondes **correspondent à des niveaux
    de réalités de plus en plus subtils**, en lien avec la vitesse de la lumière $`c`$,
    et modélisés par des théories physiques aux mathématiques de plus en plus abstraites.
    <br>
    ![](waves-introduction-n2_L1200.png)
    _Quatre type d'ondes en physique, pour décrire des niveaux de réalité de plus en plus subtils et abstraits._
    ---------
    ##### **Les ondes mécaniques** *($`v \lt c`$)*
    * Ce sont donc **les plus connues, intuitives**, et elles sont très **faciles à observer**. Elles correspondent à une perturbation qui se propage dans un milieu matériel :
    * *vaguelettes* et ondulations à la surface de l'eau,
    * *sons* qui se propagent dans l'air,
    * *ondes sismiques* qui se propagent dans le sol,
    * *ondulations* d'un ressort ou d'une corde d'un instrument de musique.
    * Toutes **ces ondes sont matérielles**, leur vitesse de propagation $`\mathscr{v}`$ est inférieure à la vitesse de la lumière $`c`$.
    * Nécessitant un milieu matériel, elles *ne peuvent pas voyager dans le vide*.
    <br>
    --------
    ##### **Les ondes électromagnétiques** *($`v = c`$)*
    * Elles ne résulte pas de la perturbation d'un milieu matériel, mais *sont formées*
    d'un **champ électrique et** d'un **champ magnétique perpendiculaires qui s'auto-entretiennent**.
    <br>
    Comme il n'existe pas de milieu support des ondes électromagnétiques, elles **peuvent
    voyager dans le vide**, entre autre le vide interstellaire.
    * Ces ondes incluent :
    * les *ondes-radio*
    * les *micro-ondes*
    * les *infra-rouges*
    * la *lumière visible*
    * les *ultra-violets*
    * les *rayons X*
    * les *rayons gamma*
    * **Nos yeux perçoivent uniquement** une petite partie de ce spectre, la *lumière visible*.
    <br>
    Comme **ces ondes** sont de l'**énergie pure** (elles n'ont pas de masse au repos), elles sont
    *beaucoup plus abstraites*.
    <br>
    À tout moment, **notre corps est traversé** par des *ondes-radio*, des *ondes-télé*, des *ondes Wifi* qui
    transportent de la musique, des images, des paroles d'entrevues, etc.
    **Sans la technologie**, nous n'aurions *aucune connaissance de la plupart de ces ondes*.
    * La **vitesse des ondes électromagnétiques** est
    toujours *exactement $`c = 299\,792\,458 m\,s^{-1}`$*, constante fondamentale de la nature appelée
    *vitesse de la lumière dans le vide*.
    <br>
    Ne dépendant donc pas de l'état de mouvement de l'observateur qui mesure cette vitesse, ces ondes
    **défient notre intuition classique** du monde. Elles constituent l'*une des preuves expérimentales* du couplage de l'espace et du temps
    au sein *de l'espace-temps* décrit d'abord par la **relativité restreinte, puis** par la relativité **générale*.
    <br>
    ![](https://m3p2.com/fr/temporary_ins/waves/n2/overview/linear-electromag-wave-n3_L1200.gif)
    ![](https://m3p2.com/fr/temporary_ins/waves/n2/overview/elliptic-wave-electromag-wave-n3_L1200.gif)
    _Deux états de polarisation différents, rectiligne (haut) et elliptique (bas), d'une onde électromagnétique._
    _Sans attendre la maîtrise du niveau Montagne, la connaissance visuelle de ces états de polarisation
    te permettra de comprendre entre autre comment tu peux voir en 3 dimensions un film pourtant projeté
    sur les 2 dimensions d'un écran de cinéma._
    ! *Note* :
    !
    ! Les **ondes électromagnétiques**, jusqu'à très récemment (2015), étaient la *seule source de toute notre connaissance de l'Univers* :
    !
    ! l'astrophysique observe les ondes électromagnétiques issues du *Big Bang*, des *galaxies*, des *étoiles*,
    ! des *planètes*, du *milieu interstellaire*.
    ---------------
    ##### **Les ondes gravitationnelles** *($`v = c`$)*
    * Contrairement aux ondes électromagnétiques qui voyagent dans l'espace et le temps, les
    **ondes gravitationnelles** sont *encore plus abstraites*, elles sont une
    *vibration du tissu de l'espace-temps lui-même*.
    * L'**espace-temps** est déformé par la présence de matière (ce qui
    cause la gravitation) mais, en plus, il **peut vibrer** lors du *passage d'ondes gravitationnelles*
    produites lors d'évènements violents dans l'univers.
    <br>
    Nos sens ne peuvent absolument pas percevoir ces ondes.
    * Décrites par la relativité générale, elles **voyagent** *à la vitesse de la lumière $`c`$*.
    ! *Note* :
    !
    ! Prédites avec la relativité générale, mais observées seulement depuis 2015, les
    ! **ondes gravitationnelles** sont à la **base d'une nouvelle astrophysique**,
    ! l'*astrophysique des ondes gravitationnelles*.
    ! <br>
    ! Elle observe les **phénomènes violents et massifs** dans l'univers :
    ! rotations rapides avant leur *fusion de trous noirs et étoiles à neutrons*.
    ------
    ##### **Les ondes quantiques** *($`v \gt c`$ dans certains cas)*
    <br>
    *A - Fonction d'onde et mesure*
    * La **fonction d'onde d'une particule** (appelée de la lettre grecque Psi notée $`\Psi`$) est gouvernée par l'équation de
    Schrödinger en mécanique quantique non relativiste, ou par les équations de Klein-Gordon,
    Dirac, Proca, Rarita-Schwinge (selon le spin de la particule) dans la théorie quantique
    des champs (qui allie et dépasse la relativité restreinte et la mécanique quantique).
    * Elle n'est *pas matérielle*, et une de ses particularités est de
    *comporter une partie imaginaire* qui joue un rôle fondamental.
    * Personne ne comprend encore le sens réel de cette onde.
    Elle est **limitée par la vitesse de la lumière, sauf au moment d'une mesure**
    (effondrement de la fonction d'onde) qui est un phénomène non-local, i.e. instantané (donc
    avec v > c).
    Ce **comportement non-local** est *fondamentalement aléatoire* et donc
    *ne permet pas de communiquer* (sinon cela impliquerait l'existence de paradoxes temporels).
    <br>
    *B - Fonction d'onde et particules intriquées*
    * L'**intrication quantique** correspond à un *niveau de réalité encore plus abstrait*.
    <br>
    Le **lien quantique entre deux particules intriquées** (qui ont interagi ensemble dans le passé) est
    une connexion absolument extraordinaire qui *existe hors de l'espace et du temps*.
    <br>
    Ce lien :
    * est *indétectable* par aucune technologie connue
    * *ne diminue pas* avec la distance
    * n'est *pas arrêté par les obstacles* quels qu'ils soient
    * a un *comportement instantané*, donc *non local*.
    * **Fondamentalement non-local**, ce lien est à la *base de la téléportation quantique*.
    <br>
    Lorsque l'état d'une **particule est téléporté d'un endroit A à un endroit B**,
    l'*information se propage instantanément* de A à B, et ne passe pas par l'espace physique
    entre A et B (c'est pourquoi on dit que ce lien existe hors de l'espace et du temps).
    <br>
    La **compréhension conceptuelle de ce phénomène** est *une des grandes questions ouvertes*
    de l'interprétation de la physique quantique, elle est le siège de grands débats entre les physiciens.
    <br>
    *C - Fonction d'onde et prévisions*
    * La **formulation mathématique de la mécanique quantique** est
    * parfaitement *bien comprise*
    * parfaitement *bien vérifiée expérimentalement*
    C'est son interprétation conceptuelle qui est matière à controverse.
    * L'**action instantanée de l'intrication quantique** est *aléatoire*
    et *ne permet pas de communiquer*.
    <br>
    Cependant, la **téléportation quantique permet de communiquer** car elle
    comporte deux étapes :
    * une **première étape** *véhiculée par l'intrication*,
    * une **deuxième étape** *limitée par la vitesse de la lumière*.
    Par conséquent, la **téléportation complète** est *limitée par la vitesse de lumière*.
    ! *Note* :
    !
    ! En mécanique quantique comme un théorie quantique des champs, la *fonction d'onde $`\Psi`$*
    ! est en fait *liée à la probabilité de présence d'une particule* dans une superposition d'états
    ! quantique donnée. La probabilité elle-même est proportionnelle à $`|\Psi|^2`$<br>
    ! En ce sens, elle *décrit la dualité onde-corpuscule*.
    !! *Pour aller au-delà* :
    !!
    !! Le cadre de la théorie quantique des champs, qui allie et dépasse la relativité restreinte
    !! et la mécanique quantique non relativiste, a connu de nombreux succès, citons entre autre
    !! la prédiction précédant la découverte de plusieurs particules telles que le quark top (1995) et le boson de Higgs (2011).
    !!
    !! Il reste qu'elle n'explique pas les phénomènes prévues par la relativité générale (dilatation
    !! des durées dans un champ de gravitation, trous noirs et ondes gravitationnelles, vérifiées
    !! expérimentalement ou observés).
    !!
    !! Ainsi notre compréhension de tous les phénomènes observés dans l'Univers nécessite deux théories
    !! distinctes, relativité génerale et théorie quantique des champs, qui semblent
    !! inconsiliables dans leurs fondements même.
    !!
    !! Les physiciens poursuivent la recherche d'un principe unique, qui donnerait une théorie physique
    !! unique, dont la relativité générale et la théorie quantique des champs ne seraient que des approximations,
    !! et qui décrirait et prédirait statistiquement l'ensemble des phénomènes à toutes les échelles de la Nature.
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