Une nouvelle théorie du monopôle magnétique avec un aperçu sur ses effets

10/10/2017
Auteurs : Georges Lochak
Publication REE REE 2005-9
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2005-9:20224
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Une nouvelle théorie du monopôle magnétique avec un aperçu sur ses effets

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	    <date dateType="Created">Tue 10 Oct 2017</date>
	    <date dateType="Updated">Tue 10 Oct 2017</date>
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L'ANNÉE MONDIALE DE LA PHYSIQUE Une nouvelle théorie du monopôle magnétique avec un aperçu sur ses effets Georges Lochak Fondation Louis de Broglie Une nouvelle théorie prévoit un monopôle magnétique léger, un « lepton », dont l'expérience révèle déjà différents effets susceptibles d'importantes applications. 1. Quelques points d'histoire 1) La notion de charge magnétique apparaît pour la première fois chez Maxwell (1873) dans son Traité d'électromagnétisme [1], dans lequel il montre que de telles charges obéissent à la loi de Coulomb et fonnent des courants magnétiques semblables à un axe de rotation, alors qu'un courant électrique est analogue à une vitesse. 2) li fallut attendre Pien-e CUlie (1894) qui, à la suite de son grand article Sur la symétrie dans les phénomènes physiques [2], en publia un autre Sur la possibilité d'existence de la conductibilité magnétique et du magnétisme libre [3]. li émettait l'hypothèse de l'observer et. montrait qu'une sphère magnétiquement chargée serait pseudo scalaire, c'est-à-dire non superposable à son image dans un miroir. Cette propriété fondamentale du magnétisme apparaît spontanément dans la théorie quantique élaborée par l'auteur du présent article (voir bibliographie). Le langage de Curie était celui de la cristallo- graphie (on trouvera ses lois développées sous une forme moderne dans [4]). Il montra que deux sphères, respectivement chargées de magnétisme boréal et austral, sont l'image l'une de l'autre dans un miroir, ce que nous retrouvons sous forme quantique. Curie ne parle pas encore de paIticules (les monopôles) mais n'oublions pas qu'en ce temps-là, même l'électron n'était pas encore connu. 3) Dirac, en 1931, a retrouvé les pôles magné- tiques [5] en cherchant pourquoi il existe une chaI'ge électrique minimale (celle de l'électron) dont les autres charges sont multiples. Il a mon- tré par un raisonnement général, que ce fait résulte d'une formule simple qui relie entre elles la charge élémentaire électrique à la char- ge élémentaire magnétique. Sans répondre tout à fait à la question, cela montre que l'existence d'un seul monopôle expliquerait la quantifica- tion de l'électricité. Mais Dirac ne parle pas du fout de lois de symétrie. 4) L'article de Dirac fut suivi de milliers d'autres. Deux d'entre eux apportèrent une certaine assurance à la théOlie, bien que n'apportant rien quant à l'observation possible d'un mono- pôle. En 1974, Hoft et Poliakov montrèrent que les Théories de Grande Unification imposent l'existence de monopôles magnétiques. Mais ils ne décrivent pas leurs lois de symétrie, et leur attribuent une masse de dix millions de milliards d'atomes d'hydrogène, ce qui exclut toute production en laboratoire. On la renvoie au Big Bang. 5) En raison des difficultés d'observation des mono- pôles, on a gardé l'idée qu'ils ont une masse très élevée. On a supposé en outre que ce sont des bosons (de particules pouvant s'agglutiner dans un même état quantique), et doués d'interactions fortes, analogues aux interactions nucléaires. C'est dire que la théorie que je proposais en 1983, de monopôles fermioniques (refusant de se mettre dans lUl même état), de masse nulle au lieu d'être énorme), avec des interactions faibles (très petites par rapport aux forces nucléaires), une telle théorie a dû paI'aître absurde. Pourtant, elle était ancrée dans l'équation de l'électron de Dirac dont la solidité est recOJU1Ue par tous. En fait, le monopôle que décrit la théorie que je propose apparaît comme le versant magnétique de l'électron, dont ce monopôle est très proche REE NQ 9 Octobre 2005 L'ANNÉE MONDIALE DE LA PHYSIQUE tout en obéissant à d'autres lois de symétrie. En outre, ma théorie est la seule qui s'appuie sur les arguments expérimentaux et les lois de symétrie de Curie, qui se déduisent automatiquement du formalisme mathématique de la théOlie. 2. Les bases formelles de la théorie Elles sont très simples et bien connues par ailleurs. Elles consistent en ceci. L'équation de Dirac, sous une forme un peu compliquée mais classique quant au fond, représente la propagation d'une onde. Comme toutes les ondes que nous connaissons (lumi- neuses, acoustiques et d'autres), la forme la plus simple de ces ondes est périodique au cours du temps et ne change pas de forme, si l'on ajoute une constan- te quelconque à la grandeur qui la caractérise: ce qu'on appelle son angle de phase. Cette propriété (réduite ici à sa plus simple expression) est ce qu'on appelle l'invaliance de jauge. L'équation de Dirac, qui est la plus importante équation de la mécanique quantique relativiste, repré- sente une pmticule qui, entre autres propriétés, possède une masse: l'exemple le plus impOltant est l'électron, auquel l'équation doit sa célébrité. La masse qu'on introduit dans l'équation est celle de l'électron. Alors, la forme même de l'équation de Dirac impose que la particule soit porteuse d'une charge électrique et obéisse aux principales propriétés de l'électron. D'où l'immense succès de l'équation qui a introduit la relativité dans la mécanique quantique, comme personne n'y était encore parvenu. Or il se trouve que si l'on choisit une masse nulle dans l'équation, il apparaît une seconde invariance de jauge. Ce fait est connu dmlS la théorie des pmticules élémentaires et a été utilisé depuis longtemps, notam- ment par Pauli. Cette seconde invariance se distingue de la pre- mière par le fait que le nombre qui s'ajoute à l'angle de phase n'est pas un nombre ordinaire, mais ce qu'on appelle un pseudo scalaire: COl11l11e on l'a déjà dit, une grandeur dont l'image change de signe si on la regarde dans un miroir. Mais il semble que personne ne se soit avisé (ce serait alors le mélite de l'auteur de ces lignes) que si l'on tente les mêmes démarches que celles qui ont abouti à l'équation de l'électron, on trouve une autre pmticule, non plus un électron mais un monopôle magnétique. 3. Peut-on parler d'un monopôle ? Raisons théoriques 1) Tout d'abord, on trouve que la charge de la particule est obligatoirement une charge magnétique, pour des raisons de symétrie. 2) Toutes les lois de symétrie sur l'espace, le temps et la charge sont celles de Curie (Voir Bibliographie: Curie [3] et Lochak). 3) Les forces d'interaction électromagnétiques qu'on appelle ici les pseudo potentiels sont ceux qu'on attendait et découlent automatiquement de l'invariance de jauge. Prévus par Cabibbo et Ferrari [12], ils apparaissent dans ma théorie du « photon magnétique» et dans la théorie de la lumière de de Broglie [13], [14]. 4) Les courants électtique et magnétique, qui se conservent en verttl de l'équation, ont une forme qui élimine une objection contre l'hypothèse du monopôle magnétique (voir [8], [10]). A l'approximation de la mécanique classique, les équations du monopôle tendent [8], [10] vers l'équation de Poincaré [15] et satisfont à l'effet Birkeland. Cet effet consiste en ce qu'un pôle d'ai- mant (donc un monopôle fixe) focalise les électrons dans un tube de Crookes: c'est une vieille expérience du XIX- siècle. Par symétrie, les monopôles légers doivent en faire autant dans le champ créé par une charge électrique fixe. C'est ce que dit mon équation du monopôle, et on a donc là une première confirmation expérimentale de la théorie (même si la confirmation est indirecte). En outre, on peut donner la version quantique de ce raisonnement et de celui de Poincaré. De là, on trouve que les phénomènes d'interaction entre un monopôle magnétique et une chm'ge électt"Îque se ramènent à des lois de mouvement d'une toupie obéissant à la mécanique quantique. Et de là se déduit, sous une forme simple et plus générale, la relation de Dirac dont nous parlions plus haut, qui relie la charge électrique à la charge magnétique. Enfin, on montre que le monopôle décrit ici n'est rien d'autre qu'un neutrino magnétiquement excité (un neutt"Îno est une pmticule ultra légère et sans charge électrique qui est émise en concomitance avec un électron lors d'une désintégration héta). On voit donc qu'un neutrino, qui n'a en général pas de charge, peut acquérir une chm'ge magnétique, mais non pas une charge électJique. De plus, cela signifie que ce monopôle n'a pas seulement des interactions élec- tromagnétiques, mais également des interactions nucléaires: en l'occurrence des interactions faibles. REE W9 Oelobre 200S L'ANNÉE MONDIALE DE LA PHYSIQUE 4. Peut-on parler d'un monopôle ? Raisons expérimentales Les premières expériences datent de 1998 à l'Institut Kurtchatov, à Moscou, sous la direction de Léonid Urutskoiev. Ce dernier reste l'inspirateur d'une tendance, développée également à l'Institut Unifié de recherches nucléaires de Doubna, sous la direction de Vladimir Kouznetsov, à l'Institut de phy- sique générale de l'Académie des sciences de Russie, sous la direction d'Henri Rukhadze, et à l'Université de Kazan, sous la direction de Nicolas lvoïlov (qui fait partie de l'équipe d'Urutskoiev). Comme il alTive souvent, c'est une idée adventice de la théOlie, ici: l'hypothèse de l'action des mono- pôles sur les interactions faibles, qui a attiré l'attention. L'équipe d'Urutskoiev a découvert inopinément Wle redistribution des isotopes dans des feuilles de tita- ne, sous l'effet de décharges électriques (0,1 ms, 5 kV, 60 kJ) en milieu liquide, ain i que l'apparition d'éléments chimiques initialement absents. Et cela sans aucune radioactivité. L'effet est répétable avec une grande pré- cision malgré quelques iITégularités [16], [17], [18] et [19]. Le caractère nucléaire de l'effet observé, l'absen- ce d'interactions fortes et les basses énergies mises en jeu ont suggéré le rôle d'interactions faibles, mais la petite section efficace de ces dernières a suggéré la pré- sence d'nu catalyseur, qui restait à trouver. Or le phénomène produit un « rayonnement étrange». En partie électromagnétique, il comprend les raies des éléments créés par suite de la décharge électrique et déjà identifiés par spectrographie de masse sur les débris de titane. Mais il transporte « autre chose » : des particules, qui laissent sur les émulsions photo- graphiques des traces, que les spécialistes n'avaient encore jamais rencontrées: discontinues (en forme de chenilles), épaisses, elles correspondraient à 1 GeV pour une charge électrique. Ce que dément l'absence d'électrons () et le fait que les particules traversent des mètres d'air et d'autres matériaux. Elles ne sont donc pas électriques mais, cependant, pas neutres puisqu'elles laissent des traces et que les particules neutres n'en laissent pas. En revanche, les particules réagissent à un champ magnétique : 1) Une induction de 2 Milliteslas appliquée à la source du rayonnement transforme complètement les traces en des sOites de « comètes », même à plusieurs mètres de la source. 2) Une coïncidence heureuse fait que l'élément le plus sensible à l'effet Mossbauer est en même temps magnétique: le fer cinquante-sept: Fé7 • C'est un piège à monopôles. Un échantillon de Fé7 est soumis au « rayoOllement étrange» à quelques mètres de la source, avec un pôle d'aimant qui écarte les monopôles (supposés) d'un signe et attire les autres. On retire ensuite l'échantillon et l'on étudie par effet Mbssbauer sa raie 'Y caractéristique: la raie est nettement déplacée. On recommence l'expérience en changeant le pôle d'aimant: le déplacement est dans l'autre sens. Ce qui suggère évidemment qu'on a successivement piégé les monopôles nord et sud dans un mélange incident. 3) Ce qui précède montre que le « rayonnement étrange» crée un magnétisme induit qui résiste au transport: en réalité, l'irradiation avait lieu à Moscou, chez Urutskoiev, et la mesure Mbssbauer à Kazan, plusieurs heures plus tard, chez, Ivoïlov, l'échantillon de Fé7 étant trans- porté en avion. Autre signe de magnétisme induit, on a remarqué que les débris de titane, après la décharge électrique, sont attirés par un aimant (le titane n'est pas un métal magné- tique). Par ailleurs, on a constaté qu'une boîte de Piétri ilTadiée à quelques mètres de la sour- ce, puis éloignée et posée dans une armoire sur une émulsion photographique enveloppée dans du papier noir, fait apparaître dans l'émulsion les traces caractéristiques en chenilles (obser- vation dédiée aux mânes d'Herni Becquerel !). Mais tous les effets induits par les monopôles disparaissent au bout d'environ trois jours: signe d'une durée de vie que la théorie actuelle ne prévoit pas. Autres effets à distance : a) Action chimique: les monopôles enflamment le nitrate d'ammonium à plusieurs mètres de dis- tance. Expérience réalisée, par L. Urutskoiev, pour vélifier s'il est possible qu'une forte décharge électrique en émettant un flot de monopôles, mette le feu à distance à certains corps chimiques. La réponse est positive: l'ex- périence sur le nitrate d'ammonium prouve l'action à distance du «rayonnement étrange ». b) Action biologique: Une équipe de biologistes de Chelyabinsk, a pratiqué des expériences avec la participation d'Urutskoiev. Ils ont sou- mis des souris au rayonnement « étrange» des monopôles, à une distance de 1 m de la source : [20]. Ils ont constaté que le rayonnement augmen- te le nombre de cellules dans la moelle osseuse par augmentation de la division cellulaire. REE N"9 Octobre 2005 L'ANNÉE MONDIALE DE LA PHYSIQUE Le rayonnement ne semble pas produire d'effet génotoxique, mais il conduit, au contraire, à faire décroître une fois et demie l'effet géno- toxique d'une radiation y survenue ensuite. Les biologistes y voient une «réponse adaptative ». c) Les images chirales: à Kazan, Ivoïlov a créé des monopôles de beaucoup plus faible énergie que ceux d·Urutskoiev. ils laissent les mêmes traces dans les émulsions photographiques, mais de forme plus tourmentée. En outre, 1voïlov a obtenu un miroir à monopôles, ainsi que, sur la même pellicule, la trace « aller» d'un monopôle, allant vers le miroir, ainsi que la trace «retour» qu'on peut considérer comme étant celle du même monopôle après réflexion. Les traces sont de formes si complexes que, sur une paire, on peut être sûr qu'il s'agit de la même. Or, les deux traces sont identiques, à de légères défolluations près. Le fait qu'elles soient identiques (et non pas renversées) semble devoir être attribué à la chiralité du monopôle, ce qui serait un important résultat. Cependant, il reste des points d'interrogation: a.) Les deux traces sont tournées de 1t radians l'une par rapport à l'autre ; ~) Elles posent une question qui est la même à propos de toutes les traces de monopôles : elles sont dans un plan orthogonal à la source. Si elles étaient dans un plan quelconque, on le comprendrait facilement en raison du hasard des collisions avec les noyaux atomiques et les électrons des molécules de l'air traversé. Mais pourquoi 1'00thogonalité ? Et est-ce vrai qu'il y ait orthogonalité? Tout cela appartient au charme mystérieux des sciences naissantes. Mais ('apparence de chiralité est si chère à la théorie qu'elle méritait qu'on la cite. L'enrichissement de l'uranium, la radioactivité ~ : Nous venons de décrire des effets à distance qui suggèrent que les phénomènes produits par des décharges électriques en milieu liquide sont dus à la propagation d'un rayonnement transportant des parti- cules, dont certains effets montrent qu'elles doivent être chargées de magnétisme. Mais presque tous les effets déclits plus haut ne sont pas nucléaires, alors que nous disions que ce sont des transmutations, notamment des changements de composition isoto- pique de celtains éléments, qui ont attiré l'attention d'Urutskoiev, et l'ont conduit à l'idée de monopôle et à rejoindre la théorie exposée ici. Or plusieurs physiciens ont suggéré que ces trans- mutations pourraient être dues à des accumulations d'électrons, les clusters, créés par la décharge électrique, REE 1"9 Octobre 2005 mais rendus fugaces par la proximité des électrons et la répulsion coulombienne. Urutskoiev et moi n'y croyons pas. Je me contenterai de renvoyer le lecteur à [18] et aux travaux cités. 1) L'enrichissement de l'uranium: c'est sur cet exemple qu'a opéré Urutskoiev. Dans l'éprou- vette en polystyrène comprimé, pleine d'eau, traversée par le mince conducteur de titane qui explosera sous l'effet de la décharge électrique, on dilue dans l'eau une certaine quantité de sels d'uranium (U02S04) [18], avec la proportion nanlrelle des deux isotopes 238U, 235U, facile- ment mesurable grâce à la radioactivité. On constate qu'à la suite de la décharge, l'uranium s'est fortement enrichi en 235U . En fait, on peut démontrer qu'il n'y a pas eu de transmutation de l'isotope 2J8U en 235U, mais qu'ils ont baissé tous les deux dans des proportions différentes, au profit de 235u. Mais où s'est produit le phé- nomène? II y a deux possibilités: a) soit la quantité d'iso- topes baisse uniquement dans l'uranium qui se trouve dans la zone plasmatique très mince qui entoure le conducteur de titane (donc par l'accumulation de charges électriques qui s'y produit) ; soit cette quan- tité baisse dans l'ensemble de l'éprouvette, étant donné que les sels d'uranium sont uniformément dilués. On peut prévoir une grande différence (les volumes de l'ensemble de l'éprouvette et de la zone plasmatique sont dans un rapport de l'ordre de 2000). C'est sur cette mesure que je passerai en renvoyant aux travaux d'Urutskoiev : disons seulement que cette mesure montre que le phénomène n'est pas can- tonné à la zone plasmatique et qu'il se produit, pour le moins, sur une grande partie du volume. C'est la thèse d'un phénomène causé par un rayonnement émis par Je conducteur en titane et e propageant dans l'espace qui est favorisée, confIr- mant les exemples cités plus haut : autrement dit, c'est la thèse du monopôle qui sort renforcée. A la dif- férence des exemples précédents, il s'agit ici d'un phénomène nucléaire. 2) La radioactivité ~ : on sait qu'il existe des atomes qui possèdent des états nucléaires suf- fisamment instables pour que leur durée de vie soit influencée par l'état chimique de l'atome, donc du cortège électronique [21], [22], [23], [24]. C'est le cas de certaines radioactivités ~ : ainsi, le noyau du rhéniwn 187R voit sa durée de vie ~ diminuer de 3 x 1010 ans à 30 ans si l'atome est entièrement ionisé [24], on a donc un rapport de 10·9 ! L'ANNÉE MONDIALE DE LA PHYSIQUE Urutskoiev a rapproché ce phénomène de l'effet Kadomtsev qui consiste en la déformation du cortège atomique sous l'effet d'un champ magnétique très intense [25]. L'atome prend la forme d'un cigare autour duquel s'enroulent les trajectoires électro- lùques. Bien que l'analyse quantique soit plus subtile, on peut dire de façon intuitive que cet allongement des trajectoires éloigne les électrons du noyau pen- dant une partie de leur révolution, ce qui équivaut à une ionisation partielle. Si le noyau est radioactif ~, on peut s'attendre à une réduction du temps de vie. Malheureusement le calcul montre qu'il faudrait des champs magnétiques gigantesques, de l'ordre de 100 kiloteslas pour atteindre une déformation suffisante du cortège électronique. Mais Urutskoiev a remarqué que, rien n'empêchant un monopôle de s'approcher aussi près qu'on le veut du noyau atomique, un monopôle en mouvement (n'oublions pas qu'il est très léger) pouna créer un champ de cet ordre. Des premières expériences semblent montrer, en effet, que le temps de vie d'un échantillon radioactif ~ diminue sous l'effet d'un flot de monopôles. L'avenir montrera ce qu'il en est. 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