[multilingual version : EN , FR , ES](https://m3p2.com/m3p2/polyglot/emporary-m3p2/waves/n2/waves-introduction/waves-in-physics/)
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# <p style="font-size:70%;text-align: center;">Les ondes en physique</p>
# <p style="font-size:70%;text-align: center;">Waves in Physics</p>
<pstyle="font-size:75%;text-align: center;">Naissance du concept d'onde</p>
<pstyle="font-size:75%;text-align: center;">Birth of the Wave Concept</p>
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#### Naissance du concept d'onde
#### Birth of the Wave Concept
*Chacun de nous a déjà lancé un ballon, ou jeté un cailloux. À chaque instant ces
*Each of us has already thrown a ball, or tossed a pebble. At every moment, these
objets occupent une position bien définie dans l'espace et suivent une trajectoire
objects occupy a well-defined position in space and follow a trajectory
que nos yeux peuvent suivre. Cette expérience sensible est à la base de notre concept
that our eyes can track. This sensory experience is the basis of our intuitive concept
intuitif de corps matériels, objets bien définis, d'extension limité dans l'espace,
of material bodies, well-defined objects, with limited extension in space,
et qui se déplacent selon les lois de la physique.
and which move according to the laws of physics.
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Mais notre expérience sensible ne se limite pas à ces objets localisés. Chacun de
But our sensory experience is not limited to these localized objects. Each of us has already **thrown pebbles into water** or observed raindrops falling
nous a déjà **lancé des cailloux dans l'eau** ou observé les gouttes de pluie tomber
onto the calm surface of a pond or puddle. Their impacts disturb
à la surface paisible d'un étang ou d'une flaque d'eau. Leurs impacts perturbent
the surface of the water, creating **small circular ripples** that *propagate*,
la surface de l'eau, créant de **petites vaguelettes circulaires** qui *se propagent*,
*strengthen or weaken* when they cross, and *bypass obstacles*
*se renforcent ou s'amenuisent* lorsqu'elles se croisent, et *contournent les obstacles*
encountered along their path.
rencontrés sur leur parcours.
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_image gif animée à faire ou achter : pluie sur l'étang, goutelettes crééent vaguelettes
_Animated GIF to create or purchase: rain on the pond, droplets creating ripples
qui se superposent et interfèrent._
that overlap and interfere._
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Ces vaguelettes sont à la **base de notre concept intuitif d'ondes mécaniques**,
These ripples are at the **basis of our intuitive concept of mechanical waves**,
perturbations d'un milieu matériel continu et étendu, qui se propagent,
disturbances of a continuous and extended material medium, which propagate,
peuvent interférer et être diffractées.
can interfere, and be diffracted.
*Les **propriétés des ondes mécaniques**,
*The **properties of mechanical waves**,
**propagation*
**propagation*
**interférences*
**interference*
**diffraction*par un obstacle
**diffraction*by an obstacle
**réflexion et transmission* à l'interface entre deux milieux matériels différents,
**reflection and transmission* at the interface between two different material media,
**transport d'énergie* et de quantité de mouvement, *mais pas de matière* sur de longues
**transport of energy* and momentum, *but not matter* over long
distances,
distances,
**sont retrouvées sur des phénomènes plus subtils** observés dans la nature
**are found in more subtle phenomena** observed in nature
puis décrits mathématiquement, ou bien d'abord prévus par la théorie physique
and then described mathematically, or first predicted by physical theory
_Représentation des phénomènes d'interférences et de diffraction._
_Representation of interference and diffraction phenomena._
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#### Des ondes de différents types
#### Waves of Different Types
*Aujourd'hui, ce sont **quatre types d'ondes** qui ont été observées, depuis les *ondes mécaniques*
*Today, there are **four types of waves** that have been observed, from intuitive *mechanical
intuitives, jusqu'aux ondes *gravitationnelles* et les ondes *quantiques* en passant par
waves* to *gravitational waves* and *quantum waves*, including
les ondes *électromagnétiques*. Dans l'ordre, ces ondes **correspondent à des niveaux
*electromagnetic waves*. In order, these waves **correspond to increasingly subtle
de réalités de plus en plus subtils**, en lien avec la vitesse de la lumière $`c`$,
levels of reality**, related to the speed of light $`c`$,
et modélisés par des théories physiques aux mathématiques de plus en plus abstraites.
and modeled by physical theories with increasingly abstract mathematics.
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_Quatre type d'ondes en physique, pour décrire des niveaux de réalité de plus en plus subtils et abstraits._
_Four types of waves in physics, to describe increasingly subtle and abstract levels of reality._
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##### **Les ondes mécaniques** *($`v \lt c`$)*
##### **Mechanical Waves** *($`v \lt c`$)*
*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 :
*These are therefore **the best known, most intuitive**, and they are very **easy to observe**. They correspond to a disturbance that propagates in a material medium:
**vaguelettes* et ondulations à la surface de l'eau,
**ripples* and undulations on the surface of water,
**sons* qui se propagent dans l'air,
**sounds* that propagate through air,
**ondes sismiques* qui se propagent dans le sol,
**seismic waves* that propagate through the ground,
**ondulations* d'un ressort ou d'une corde d'un instrument de musique.
**oscillations* of a spring or a string of a musical instrument.
*Toutes **ces ondes sont matérielles**, leur vitesse de propagation $`\mathscr{v}`$ est inférieure à la vitesse de la lumière $`c`$.
*All **these waves are material**, their propagation speed $`\mathscr{v}`$ is less than the speed of light $`c`$.
*Nécessitant un milieu matériel, elles *ne peuvent pas voyager dans le vide*.
*Requiring a material medium, they *cannot travel through a vacuum*.
_Deux états de polarisation différents, rectiligne (haut) et elliptique (bas), d'une onde électromagnétique._
_Two different polarization states, linear (top) and elliptical (bottom), of an electromagnetic wave.
_Sans attendre la maîtrise du niveau Montagne, la connaissance visuelle de ces états de polarisation
Without mastering the Mountain level, visual knowledge of these polarization states will allow you to understand, among other things, how you can see a movie in 3D even though it is projected on the 2D surface of a cinema screen._
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* :
! *Note* :
!
!
! Les **ondes électromagnétiques**, jusqu'à très récemment (2015), étaient la *seule source de toute notre connaissance de l'Univers* :
! **Electromagnetic waves**, until very recently (2015), were the *only source of all our knowledge of the Universe*:
!
!
! l'astrophysique observe les ondes électromagnétiques issues du *Big Bang*, des *galaxies*, des *étoiles*,
! Astrophysics observes electromagnetic waves from the *Big Bang*, *galaxies*, *stars*,
* Unlike electromagnetic waves that travel through space and time, **gravitational waves**
are *even more abstract*; they are a *vibration of the fabric of spacetime itself*.
* Contrairement aux ondes électromagnétiques qui voyagent dans l'espace et le temps, les
***Spacetime** is deformed by the presence of matter (which
**ondes gravitationnelles** sont *encore plus abstraites*, elles sont une
causes gravity), but in addition, it **can vibrate** during the *passage of gravitational waves*
*vibration du tissu de l'espace-temps lui-même*.
produced during violent events in the universe.
<br>
* L'**espace-temps** est déformé par la présence de matière (ce qui
Our senses cannot perceive these waves at all.
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 $`c`$*.
* Described by general relativity, they **travel***at the speed of light $`c`$*.
! *Note* :
! *Note* :
!
!
! Prédites avec la relativité générale, mais observées seulement depuis 2015, les
! Predicted by general relativity but observed only since 2015, the
! **ondes gravitationnelles** sont à la **base d'une nouvelle astrophysique**,
! **gravitational waves** are at the **basis of a new astrophysics**,
! l'*astrophysique des ondes gravitationnelles*.
! *gravitational wave astrophysics*.
! <br>
! <br>
! Elle observe les **phénomènes violents et massifs** dans l'univers :
! It observes **violent and massive phenomena** in the universe:
! rotations rapides avant leur *fusion de trous noirs et étoiles à neutrons*.
! rapid rotations before their *merger of black holes and neutron stars*.
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##### **Quantum Waves** *($`v \gt c`$ in some cases)*
##### **Les ondes quantiques** *($`v \gt c`$ dans certains cas)*
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*A - Fonction d'onde et mesure*
*A - Wave Function and Measurement*
*La **fonction d'onde d'une particule** (appelée de la lettre grecque Psi notée $`\Psi`$) est gouvernée par l'équation de
*The **wave function of a particle** (denoted by the Greek letter Psi $`\Psi`$) is governed by the
Schrödinger en mécanique quantique non relativiste, ou par les équations de Klein-Gordon,
Schrödinger equation in non-relativistic quantum mechanics, or by the Klein-Gordon,
Dirac, Proca, Rarita-Schwinge (selon le spin de la particule) dans la théorie quantique
Dirac, Proca, Rarita-Schwinger equations (depending on the particle's spin) in quantum
des champs (qui allie et dépasse la relativité restreinte et la mécanique quantique).
field theory (which combines and extends special relativity and quantum mechanics).
*Elle n'est *pas matérielle*, et une de ses particularités est de
*It is *not material*, and one of its particularities is to
*comporter une partie imaginaire* qui joue un rôle fondamental.
*include an imaginary part* that plays a fundamental role.
*Personne ne comprend encore le sens réel de cette onde.
*No one yet understands the real meaning of this wave.
Elle est **limitée par la vitesse de la lumière, sauf au moment d'une mesure**
It is **limited by the speed of light, except at the moment of a measurement**
(effondrement de la fonction d'onde) qui est un phénomène non-local, i.e. instantané (donc
(collapse of the wave function), which is a non-local, i.e., instantaneous phenomenon (therefore
avec v > c).
with $v > c$).
Ce **comportement non-local** est *fondamentalement aléatoire* et donc
This **non-local behavior** is *fundamentally random* and therefore
*ne permet pas de communiquer* (sinon cela impliquerait l'existence de paradoxes temporels).
*does not allow communication* (otherwise, it would imply the existence of temporal paradoxes).
<br>
<br>
*B - Fonction d'onde et particules intriquées*
*B - Wave Function and Entangled Particles*
*L'**intrication quantique** correspond à un *niveau de réalité encore plus abstrait*.
***Quantum entanglement** corresponds to an *even more abstract level of reality*.
<br>
<br>
Le **lien quantique entre deux particules intriquées** (qui ont interagi ensemble dans le passé) est
The **quantum link between two entangled particles** (which have interacted together in the past) is
une connexion absolument extraordinaire qui *existe hors de l'espace et du temps*.
an absolutely extraordinary connection that *exists outside of space and time*.
<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>
<br>
La **compréhension conceptuelle de ce phénomène** est *une des grandes questions ouvertes*
This link:
de l'interprétation de la physique quantique, elle est le siège de grands débats entre les physiciens.
* is *undetectable* by any known technology
**does not diminish* with distance
* is *not stopped by obstacles* of any kind
* has an *instantaneous behavior*, therefore *non-local*.
***Fundamentally non-local**, this link is at the *basis of quantum teleportation*.
<br>
When the **state of a particle is teleported from place A to place B**,
the *information propagates instantaneously* from A to B, and does not pass through the physical
space between A and B (which is why it is said that this link exists outside of space and time).
<br>
The **conceptual understanding of this phenomenon** is *one of the great open questions*
in the interpretation of quantum physics; it is the subject of major debates among physicists.
<br>
<br>
*C - Fonction d'onde et prévisions*
*C - Wave Function and Predictions*
*La **formulation mathématique de la mécanique quantique** est
*The **mathematical formulation of quantum mechanics** is
* parfaitement *bien comprise*
* perfectly *well understood*
* parfaitement *bien vérifiée expérimentalement*
* perfectly *experimentally verified*
C'est son interprétation conceptuelle qui est matière à controverse.
It is its conceptual interpretation that is a matter of controversy.
*L'**action instantanée de l'intrication quantique** est *aléatoire*
*The **instantaneous action of quantum entanglement** is *random*
et *ne permet pas de communiquer*.
and *does not allow communication*.
<br>
<br>
Cependant, la **téléportation quantique permet de communiquer** car elle
However, **quantum teleportation allows communication** because it
comporte deux étapes :
involves two steps:
* une **première étape***véhiculée par l'intrication*,
* a **first step***carried by entanglement*,
* une **deuxième étape***limitée par la vitesse de la lumière*.
* a **second step***limited by the speed of light*.
Par conséquent, la **téléportation complète** est *limitée par la vitesse de lumière*.
Therefore, **complete teleportation** is *limited by the speed of light*.
! *Note* :
! *Note* :
!
!
! En mécanique quantique comme un théorie quantique des champs, la *fonction d'onde $`\Psi`$*
! In quantum mechanics and quantum field theory, the *wave function $`\Psi`$*
! est en fait *liée à la probabilité de présence d'une particule* dans une superposition d'états
! is actually *linked to the probability of a particle's presence* in a given quantum state superposition. The probability itself is proportional to $` \Psi|^2`$.
! quantique donnée. La probabilité elle-même est proportionnelle à $`|\Psi|^2`$<br>
! In this sense, it *describes the wave-particle duality*.
! En ce sens, elle *décrit la dualité onde-corpuscule*.
!! *Pour aller au-delà* :
!! *Going Further* :
!!
!!
!! Le cadre de la théorie quantique des champs, qui allie et dépasse la relativité restreinte
!! The framework of quantum field theory, which combines and extends special relativity
!! et la mécanique quantique non relativiste, a connu de nombreux succès, citons entre autre
!! and non-relativistic quantum mechanics, has seen many successes, including the prediction preceding the discovery of several particles such as the top quark (1995) and the Higgs boson (2011).
!! 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
!! However, it does not explain the phenomena predicted by general relativity (time dilation in a gravitational field, black holes, and gravitational waves, experimentally verified or observed).
!! 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
!! Thus, our understanding of all observed phenomena in the Universe requires two distinct theories: general relativity and quantum field theory, which seem
!! distinctes, relativité génerale et théorie quantique des champs, qui semblent
!! irreconcilable in their very foundations.
!! inconsiliables dans leurs fondements même.
!!
!!
!! Les physiciens poursuivent la recherche d'un principe unique, qui donnerait une théorie physique
!! Physicists continue the search for a unique principle that would give a single physical theory, of which general relativity and quantum field theory would be mere approximations,
!! unique, dont la relativité générale et la théorie quantique des champs ne seraient que des approximations,
!! and which would describe and statistically predict all phenomena at all scales of Nature.
!! et qui décrirait et prédirait statistiquement l'ensemble des phénomènes à toutes les échelles de la Nature.
