Le mystère du spin

On peut résumer la position du modèle standard par ce document du CNRS qui commence par cette phrase :

« Le spin est, en mécanique quantique, une observable un peu mystérieuse qui n'a pas d'analogue classique bien précis contrairement à l'impulsion, au moment cinétique, à la position.... Et pourtant on s'en fait souvent une idée en l'associant à un moment cinétique intrinsèque de la particule. Ainsi les électrons qui ont un spin 1/2 et dont la projection sur une direction arbitraire peut prendre les valeurs ±1/2, sont souvent décrits comme des toupies tournant dans un sens ou dans l'autre ».

On est tellement gêné par le mystère de la dimension du spin de l'électron (1/2 ħ = ML²/T) que l'on s'arrange pour l'éluder en ne citant que l'aspect numéral, soit 1/2 ! Ce mystère n'a jamais été dissipé car : a) on sait que la circonférence développée par le rayon de Compton de l'électron, ferait que ce dernier tournerait 2 π fois plus vite que la vitesse de la lumière ; b) il se comporte comme s'il avait un axe de rotation droit ou gauche (traduit en up et down) en relation avec le sens de sa trajectoire ! Le modèle standard a contourné la difficulté en attribuant au spin une « signature » quantique abstraite. Il a la dimension d'un moment cinétique mais ce n'est pas un moment cinétique....

1. Notion relative du spin et filtre à spin : quand on mesure l'état de spin d'un électron, c'est toujours en relation avec un champ ou une particule tiers. Par exemple, la liaison chimique covalente se fait toujours par association de spins opposés. Le principe d'exclusion de Pauli stipule que deux électrons ne peuvent exister dans le même état quantique. Comment peut-on résoudre ce mystère et sortir des contradictions entre la non rotation et la présence d'un axe orienté ? Le modèle OSCAR reste fidèle à sa base profonde représentée par les oscillateurs dipolaires (électriques) fondamentaux. L'électron – élément de dipôle séparé – est donc un oscillateur monopolaire. Il oscille entre les deux états « onde » et « corpuscule ». Il oscille à l'état libre mais reste figé à l'état corpusculaire tant qu'il est observé ou perturbé. Osciller radialement ne génère pas d'axe (de rotation). Cela veut dire que tant que l'électron n'est pas observé, ce dernier n'a pas de spin déterminé. C'est une sphère (sans axe) qui oscille radialement. La voie que nous proposons est celle-ci : quand l'oscillation est mesurée en phase croissante, elle est de type « spin up » et quand elle est mesurée en phase décroissante elle est de type « spin down ». Ainsi l'opération « mesure » surprend forcément l'électron dans l'une de ces deux phases. Les filtres à spin reviennent à trier les électrons synchronisés selon le principe suivant : la relation coulombienne entre deux électrons anti-parallèles est plus forte que lorsque leurs spins sont parallèles. C'est l'effet de Lorentz qui agit quand les oscillations sont contraires car les charges (de même signe) se repousseraient en statique. Pour que deux électrons se trouvent au même point, il faut que leurs spins soient anti-parallèles. En terme Oscar, cela veut dire que les oscillations se croisent conférant ainsi une vitesse relative qui donne vie aux forces de Lorentz. Donc les électrons synchronisés dans l'état « parallèle » passeront plus facilement au travers des atomes du filtre.

2. Liaison covalente et aimantation dans un solide : la fameuse liaison covalente entre atomes, a une cause fondamentale car elle signe une association entre deux sens opposés ! C'est le comportement de l'oscillateur dipolaire primitif (avec ici, une charge identique) ! De plus, on vérifie que dans la physique du solide, le magnétisme est toujours associé au spin. Le modèle standard considère qu'il existe un sens de « rotation » majoritaire qui est la cause de l'aimantation. Dans le modèle OSCAR, une absence d'aimantation particulière, signe un mode où les phases d'oscillation ne sont pas synchronisées. Il y a effectivement une aimantation macroscopique dès lors qu'une majorité d'électrons oscillateurs, est synchronisée.

3. Le moment magnétique intrinsèque : Il y a effectivement deux façons de générer une aimantation. Il suffit qu'une charge se déplace soit en translation, soit en rotation. Dans les deux cas, il s'agit du déplacement d'une charge. Selon le modèle OSCAR, l'onde électron (ou électronde) dilue sa charge dans son ensemble. Ainsi, une éventuelle rotation ne produirait pas de magnétisme car la notion de déplacement ne serait pas effective. En revanche, La couche sphérique 2D qui porte la charge, se déplace effectivement en oscillant radialement ! Cela lève définitivement la contradiction entre la dimension ML²/T de la constante ħ et la non rotation de la particule. Ainsi L² représente l'aire moyenne de la couche oscillante et il s'agit donc bien d'une impulsion moyenne appliquée à une surface !

4. La conservation du moment cinétique intrinsèque : l'interprétation classique d'une masse constante réduisant son rayon, doit conserver son moment cinétique. La loi ML = Cte, ne concerne que la moyenne du produit ML. Cela veut dire que l'électron « non observé » se développe jusqu'à son rayon de Compton. Il possède alors 2 fois sa masse intrinsèque me mesurée tandis que son état corpusculaire voit sa masse  réduite du facteur ξ. L'opération de mesure prend la moyenne linéaire (soit me) de sa masse en réduisant l'électron à sa taille corpusculaire. Ainsi la réduction de taille n'induit pas de rotation pour conserver son moment angulaire. Puisque l'électron oscille radialement, la mesure se fait soit en cours d'extension (donc avec inversion du sens), soit en cours de régression (sans inversion du sens). Comme la masse n'est pas conservée, la conservation du moment cinétique n'influe pas sur la rotation.

5. Intrication et oscillation : l'état corpusculaire de l'électron est en relation directe avec les dipôles subquantiques. Cette relation est trahie par les anomalies de masse et de moment magnétique. Ainsi, le monopôle électron n'est ni parfait ni absolu mais associé à une moitié de dipôle subquantique. Ainsi 2 électrons intriqués impliquent deux dipôles dont la localité est étendue à tout le BEC (1021 m).

6. Conclusion : comme certains physiciens l'ont suggéré, le spin a la dimension de l'impulsion d'une surface sphérique oscillante L². L'électron orbital est en mode oscillateur sphérique. Il apparaît peu probable que l'électron libre (non mesuré) ressemble à un angle solide (cône de révolution) ayant ainsi une pointe dirigée devant ou derrière sa trajectoire, comme je l'avais précédemment ressenti. Jusqu'à plus ample informé, il apparaît que le mode « oscillation radiale » soit en accord avec les diverses expérimentations. Comme pour l'oscillateur dipolaire primitif, on retrouve une dualité entre les forces de Lorentz (déplacement relatif) et les forces coulombiennes (statique). 


Commentaires

  1. Bonjour Mr MAREAU.

    Très intéressante cette théorisation du spin, même si, hélas, je pense ne pas tout comprendre ! ... Mais je vais avoir matière à y revenir à loisir !

    Il y a plusieurs points sur lesquels j'aimerais bien vous demander des éclaircissements (si vous en avez le loisir), mais, déjà, je découvre une chose que j'ignorais :
    Quand vous dites : "l'onde électron (ou électronde) dilue sa charge dans son ensemble", je ne pensais pas que cela puisse être possible. Pour moi, état "onde" = disparition de la charge, donc l'état corpusculaire de l'électron ne pouvait jamais disparaître vraiment ! ...

    D'où les questions qui se bousculent dans mon (malheureux) esprit : comment la "couche" d'une onde peut-elle porter une charge ? Et d'ailleurs, qu'est-ce qui contraint cette onde à rester "sur place" autour du noyau ? Est-elle stationnaire ? La barrière de Coulomb l'empêche de s'écraser sur le noyau, mais y a-t-il une deuxième barrière plus externe ? Et comment une telle onde peut-elle avoir des niveaux quantique d'énergie ? Cela correspond-il à une sorte "d'élargissement" de l'onde ? ...
    Et que devient le spin ? Disparaît-il ? Et que devient l'aspect magnétique ? Une onde peut-elle être magnétique ? Pas clair, pour moi, tout cela, à la première lecture.

    Vous voyez : les questions ne me manquent pas ! ... Je vais avoir à "bosser" pour essayer de mieux comprendre ! Vous m'avez donné de quoi m'occuper ! ...

    En tout cas, merci pour ce texte stimulant et bonne journée.

    RépondreSupprimer
  2. Il est clair que l'on ne peut pas répondre à toutes ces questions directement. Je ne peux que me baser sur la cohérence avec les oscillateurs dipolaires. Par exemple l'électron dit "orbital" est une sphère dans laquelle peut se reconstituer en tous points, l'état corpusculaire de l'électron. La différence Oscar - Standard, consiste en ce que ce dernier considère cela SEULEMENT comme une onde probabilité (l'effet mesuré). Oscar dit que l'onde de probabilité a une structure physique diluée.

    Le problème est que la mesure de la charge provoque obligatoirement le retour à l'état corpusculaire et elle semble donc se situer en un seul point. Mais en suivant ce qui se passe dans un monopole 1D, la charge suit le volume de masse.

    Dans l'hydrogène atomique, ce qui contraint la bulle orbitale à rester en place, est la force coulombienne entre l'électron et le positron célibataire (+) contenu dans le noyau. Cela forme un dipôle quantique à l'image du dipôle subquantique.

    A la question "que devient le spin" il faut d'abord préciser ce qu'il est physiquement. Et là personne ne le sait vraiment. On sait juste le calculer d'une manière abstraite ! Selon oscar, dans l'atome d'hydrogène, les oscillations radiales des deux spins, s'affrontent. Si l'oscillation interne du noyau et celle de l'électron sont synchronisées, alors il n'y a pas de déplacement relatif entre les deux et seule la force coulombienne est en jeu (comme un dipôle). Dans l'autre cas, la force de Lorentz vient modifier le niveau d'énergie (la taille de la bulle). La dualité onde/corpuscule bat son plein ! La dualité Lorentz-Coulomb est certainement le moteur de la cohésion du dipôle. Selon oscar le spin n'existe que si on le mesure. Sinon il s'inverse sans arrêt (oscillation).

    Bonne journée également.

    RépondreSupprimer
  3. Merci de répondre si rapidement !

    Il y a cependant une partie de vos explications qui m'échappent un peu : celles concernant les oscillations radiales.
    Par ex. l'électron, à l'état d'onde, oscille-t-il aussi radialement ? J'ai un peu de mal à me représenter une onde qui vibre et qui oscille "radialement" ... qu'est-ce donc qui m'échappe ?
    (Pardonnez au pauvre novice en physique ...)

    RépondreSupprimer
  4. C'est comme une bulle qui gonfle et se dégonfle, selon la figure et ce 10^20 fois par seconde.

    RépondreSupprimer
  5. J'ai commis une erreur dans le texte et je l'ai corrigée : la cohérence du modèle exige que l'opération de mesure fige la valeur moyenne de la masse de l'électron. Dans une branche du dipôle (père de l'électron) la masse diminue du facteur xi^3 vers le "point zéro". Dans l'électron elle diminue du facteur xi.

    RépondreSupprimer
  6. Dans le prochain billet je montre pourquoi le photon est physiquement polarisable en mode circulaire et en mode linéaire.

    RépondreSupprimer

Enregistrer un commentaire

Posts les plus consultés de ce blog

le mystère des positrons

la substance de l'intervalle élémentaire (1)

Le lien entre bosons de jauge et quarks (14)