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10.temporary-m3p2/16.waves/20.n2/05.waves-introduction/10.waves-in-physics/cheatsheet.en.md

+---
+title: Les ondes en physique
+published: true
+routable: true
+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.
+