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# <p style="font-size:70%;text-align: center;">Les ondes en physique</p>
<pstyle="font-size:75%;text-align: center;">Naissance du concept d'onde</p>
# <p style="font-size:70%;text-align: center;">Waves in Physics</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
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.
*Each of us has already thrown a ball, or tossed a pebble. At every moment, these
objects occupy a well-defined position in space and follow a trajectory
that our eyes can track. This sensory experience is the basis of our intuitive concept
of material bodies, well-defined objects, with limited extension in space,
and which move according to the laws of physics.
<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.
But our sensory experience is not limited to these localized objects. Each of us has already **thrown pebbles into water** or observed raindrops falling
onto the calm surface of a pond or puddle. Their impacts disturb
the surface of the water, creating **small circular ripples** that *propagate*,
*strengthen or weaken* when they cross, and *bypass obstacles*
encountered along their path.
<br>
_image gif animée à faire ou achter : pluie sur l'étang, goutelettes crééent vaguelettes
qui se superposent et interfèrent._
_Animated GIF to create or purchase: rain on the pond, droplets creating ripples
that overlap and interfere._
<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.
These ripples are at the **basis of our intuitive concept of mechanical waves**,
disturbances of a continuous and extended material medium, which propagate,
can interfere, and be diffracted.
*Les **propriétés des ondes mécaniques**,
*The **properties of mechanical waves**,
**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
**interference*
**diffraction*by an obstacle
**reflection and transmission* at the interface between two different material media,
**transport of energy* and momentum, *but not matter* over long
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.
**are found in more subtle phenomena** observed in nature
and then described mathematically, or first predicted by physical theory
before being confirmed by experimentation.
<br>
_Représentation des phénomènes d'interférences et de diffraction._
_Representation of interference and diffraction phenomena._
<br>
#### 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*
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.
*Today, there are **four types of waves** that have been observed, from intuitive *mechanical
waves* to *gravitational waves* and *quantum waves*, including
*electromagnetic waves*. In order, these waves **correspond to increasingly subtle
levels of reality**, related to the speed of light $`c`$,
and modeled by physical theories with increasingly abstract mathematics.
<br>
_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 :
**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.
*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:
**ripples* and undulations on the surface of water,
**sounds* that propagate through air,
**seismic waves* that propagate through the ground,
**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*.
_Two different polarization states, linear (top) and elliptical (bottom), of an electromagnetic wave.
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._
! *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*,
! des *planètes*, du *milieu interstellaire*.
! Astrophysics observes electromagnetic waves from the *Big Bang*, *galaxies*, *stars*,
* 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*.
* 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*.
*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.
***Spacetime** is deformed by the presence of matter (which
causes gravity), but in addition, it **can vibrate** during the *passage of gravitational waves*
produced during violent events in the universe.
<br>
Our senses cannot perceive these waves at all.
* 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* :
!
! 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*.
! Predicted by general relativity but observed only since 2015, the
! **gravitational waves** are at the **basis of a new astrophysics**,
! *gravitational wave astrophysics*.
! <br>
! Elle observe les **phénomènes violents et massifs** dans l'univers :
! rotations rapides avant leur *fusion de trous noirs et étoiles à neutrons*.
! It observes **violent and massive phenomena** in the universe:
! rapid rotations before their *merger of black holes and neutron stars*.
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##### **Les ondes quantiques** *($`v \gt c`$ dans certains cas)*
##### **Quantum Waves** *($`v \gt c`$ in some cases)*
<br>
*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
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).
*The **wave function of a particle** (denoted by the Greek letter Psi $`\Psi`$) is governed by the
Schrödinger equation in non-relativistic quantum mechanics, or by the Klein-Gordon,
Dirac, Proca, Rarita-Schwinger equations (depending on the particle's spin) in quantum
field theory (which combines and extends special relativity and quantum mechanics).
*Elle n'est *pas matérielle*, et une de ses particularités est de
*comporter une partie imaginaire* qui joue un rôle fondamental.
*It is *not material*, and one of its particularities is to
*include an imaginary part* that plays a fundamental role.
*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).
*No one yet understands the real meaning of this wave.
It is **limited by the speed of light, except at the moment of a measurement**
(collapse of the wave function), which is a non-local, i.e., instantaneous phenomenon (therefore
with $v > c$).
This **non-local behavior** is *fundamentally random* and therefore
*does not allow communication* (otherwise, it would imply the existence of temporal paradoxes).
<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>
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*.
The **quantum link between two entangled particles** (which have interacted together in the past) is
an absolutely extraordinary connection that *exists outside of space and time*.
<br>
This link:
*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*.
***Fondamentalement non-local**, ce lien est à la *base de la téléportation quantique*.
***Fundamentally non-local**, this link is at the *basis of quantum teleportation*.
<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).
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>
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.
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>
*C - Fonction d'onde et prévisions*
*C - Wave Function and Predictions*
*La **formulation mathématique de la mécanique quantique** est
* parfaitement *bien comprise*
* parfaitement *bien vérifiée expérimentalement*
*The **mathematical formulation of quantum mechanics** is
* perfectly *well understood*
* 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*
et *ne permet pas de communiquer*.
*The **instantaneous action of quantum entanglement** is *random*
and *does not allow communication*.
<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*.
However, **quantum teleportation allows communication** because it
involves two steps:
* a **first step***carried by entanglement*,
* a **second step***limited by the speed of light*.
Therefore, **complete teleportation** is *limited by the speed of light*.
! *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*.
! In quantum mechanics and quantum field theory, the *wave function $`\Psi`$*
! is actually *linked to the probability of a particle's presence* in a given quantum state superposition. The probability itself is proportional to $` \Psi|^2`$.
! In this sense, it *describes the wave-particle duality*.
!! *Pour aller au-delà* :
!! *Going Further* :
!!
!! 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).
!! The framework of quantum field theory, which combines and extends special relativity
!! 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).
!!
!! 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).
!! 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).
!!
!! 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.
!! Thus, our understanding of all observed phenomena in the Universe requires two distinct theories: general relativity and quantum field theory, which seem
!! irreconcilable in their very foundations.
!!
!! 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.
!! 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,
!! and which would describe and statistically predict all phenomena at all scales of Nature.
