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2005 l'Odyssée de la Matière. Gilles Cohen-Tannoudji. 2005. Année mondiale de la physique pour célébrer le centenaire de l'année miraculeuse d'Einstein. Einstein, employé au bureau des brevets à Berne. La situation en 1905 L'odyssée de l'espace : de la relativité au big bang

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2005 l odyss e de la mati re

2005 l'Odyssée de la Matière

Gilles Cohen-Tannoudji


2005

Année mondiale de la physique

pour célébrer le centenaire de l'année miraculeuse d'Einstein

Einstein, employé au bureau des brevets à Berne


  • La situation en 1905

  • L'odyssée de l'espace: de la relativité au big bang

  • L'odyssée de la matière: le modèle standard, de Berne au CERN

  • L'odyssée du temps: une cosmogonie scientifique

  • "Un fourmillement prodigieux de mondes nouveaux"

  • Une nouvelle sagesse ?

2005 l'Odyssée de la Matière


  • La situation de la physique en 1905

  • État abouti du programme de la mécanique rationnelle

    • Succès de la théorie de la gravitation universelle de Newton

    • Formulation lagrangienne de la mécanique rationnelle (mécanique analytique)

    • Synthèse de l'électricité du magnétisme et de l'optique par la théorie de Maxwell

    • Intégration à la mécanique de l'hypothèse atomique au travers de la théorie cinétique de la matière et de la thermodynamique statistique

    • Établissement des bases générales de la physique statistique (Gibbs, Einstein, 1902)

2005 l'Odyssée de la Matière


  • Espace et temps absolus

  • Forces: action instantanée à distance

  • Lumière: ondes portées par un milieu, l'éther

  • Matière: deux composantes

    • Molécules (ou atomes) : assimilées à des points matériels

    • L'éther

  • Des problèmes non résolus

    • Avance du périhélie de Mercure

    • Effet photoélectrique

    • Propriétés mystérieuses de l'éther

    • Molécules inobservables

2005 l'Odyssée de la Matière


L ann e miraculeuse d einstein
L'année miraculeuse d'Einstein

  • Mars 1905 : Effet photoélectrique (les quanta d'énergie)

  • Mai 1905 : Mouvement brownien (la réalité des atomes)

  • Juin 1905 : Electrodynamique des corps en mouvement (la relativité)

2005 l'Odyssée de la Matière


De la relativit au big bang
De la relativité au Big Bang

  • La relativité selon Poincaré et Lorentz

    • Principe de relativité

    • Invariance de Lorentz des équations de Maxwell (contraction des longueurs, dilatation du temps)

    • Dualité du temps

    • Maintien de l'éther

2005 l'Odyssée de la Matière


  • Einstein et la relativité restreinte

    • Principe de relativité

    • Invariabilité de la vitesse de la lumière (absence d'action instantanée à distance)

    • Abandon du modèle de l'éther

    • Refondation de la cinématique: invariance de Lorentzétendue à toutes les lois de la physique; espace-temps de Minkowski

    • Le temps propre: "le temps pur et simple"

    • Le champ relativiste une nouvelle façon d'être de la matière

2005 l'Odyssée de la Matière




Le principe d'équivalence

2005 l'Odyssée de la Matière


La chute de la lumière

La lumière, de l'énergie sans masse. C'est l'énergie, et non la masse qui est la source du champ gravitationnel

2005 l'Odyssée de la Matière



Le big bang le mod le standard de la cosmologie
Le big bang, le modèle standard de la cosmologie

  • La relativité générale, base théorique de la cosmologie: l'Univers comme objet scientifique

  • Univers fini mais sans bord

  • Univers dynamique, en expansion ou en contraction

  • Modèle du big bang (Lemaître, Friedman, Hubble, Hawking): expansion depuis un phase primordiale, infiniment dense et chaude

  • Prédictions vérifiées par l'observation:

    • Fuite des galaxies

    • Rayonnement de fond cosmologique

    • Abondance relative des éléments légers

2005 l'Odyssée de la Matière


Le mod le standard de la physique des particules de berne au cern
Le modèle standard de la physique des particules"De Berne au CERN"

2005 l'Odyssée de la Matière


Le mouvement brownien et la r alit des atomes
Le mouvement brownien et la réalité des atomes

"Si le mouvement discuté ici peut effectivement être observé (en même temps que ses lois), alors la thermodynamique classique ne pourra plus être considérée comme applicable avec précision à des corps visibles au microscope; une détermination exacte des dimensions réelles des atomes sera alors possible. Si, par contre, la prédiction de ce mouvement se révélait incorrecte, alors un argument de poids pourrait être opposé à la théorie cinétique moléculaire de la chaleur." Einstein, Ann. D. Phys. 17, p. 549, 1905

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Du mouvement brownien aux nanotechnologies
Du mouvement brownien aux nanotechnologies

« Un temps viendra peut-être où les atomes enfin directement perçus, seront aussi faciles à observer que le sont aujourd’hui les microbes. L’esprit des atomistes actuels se retrouvera alors chez ceux qui auront hérité le pouvoir de deviner derrière la réalité expérimentale devenue plus vaste,quelque autre structure cachée de l’Univers. »

Jean Parrin Les atomes 1913

Un boulier moléculaire

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Les quanta de lumi re et l effet photo lectrique
Les quanta de lumière et l'effet photoélectrique

La microstructure de la lumière

"Dès lors que l'entropie d'un rayonnement monochromatique dépend du volume de la même façon que s'il était un milieu discontinu consistant en quanta d'énergie de grandeur hn, le pas évident à franchir est d'investiguer si les lois de l'émission et de la transformation de la lumière sont telles qu'elles puissent être interprétées ou expliquées en considérant que la lumière consiste en de tels quanta. Nous examinerons cette question dans ce qui suit."

Einstein, Ann. D. Phys. 17, 132, 1905

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La dualité champs/particules

  • notions

  • classiques :

  • particules

  • de matière

  • champs

  • d’interaction

  • notions

  • nouvelles :

  • particules

  • d’interaction

  • champs de

  • matière

  • antiparticules

Théorie quantique et relativiste

deschamps

2005 l'Odyssée de la Matière


Les champs quantiques

  • Les particules élémentaires ne sont pas des points matériels. Ce sont des quanta d’énergie d’une même entité, présente en chaque point de l'espace-temps, un champ quantique.

  • Pour émettre une particule d’un type donné, il faut modifier l’énergiedu champ correspondant.

  • Le vide, état du champ en l’absence de quanta, est l’espace de tous les possibles.

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L’antimatière

  • A partir du vide, il est impossible de produire une particule chargée, sans produire en même temps son antiparticule, identique à elle mais de charge opposée.

  • Lorsqu’une particule et son antiparticule se rencontrent, elles s’engloutissent dans le vide en émettant des quanta de rayonnement.

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Les particules d’interaction

  • Tout comme la matière, les interactions sont associées à des champs quantiques qui se manifestent sous la forme de particules qui en sont les messagers

  • Le champ électromagnétique sous la forme de photons

  • Le champ de l’interaction forte sous la forme degluons

  • Le champ de l’interaction faible sous la forme des bosons intermédiaires W+, W- et Z

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Histoire du Modèle standard

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Les constituants élémentaires

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Les interactions fondamentales

2005 l'Odyssée de la Matière


Des règles strictes pour une théorie prédictive

  • Il dépend d’un nombre fini de paramètres fixés par l’expérience

  • Une fois ces paramètres déterminés, toutes les quantités phénoménologiques sont calculables

  • Tous les calculs sont en accord avec l’expérience jusqu’à une énergie de près de 200GeV

  • Le modèle standardcontient toutes les règles concernant les réactions particulaires impliquant des quarks et/ou des leptons, en interaction électrofaible(théorie unifiée des interactions électromagnétique et faible) et/ou chromodynamique

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La dimension temporelle une cosmogonie scientifique

La dimension temporelle:une cosmogonie scientifique


La quête de l'unité

  • Partis à la recherche des pièces du puzzle spatial de la matière, c’est la dimension du tempsque nous rencontrons

  • D'après la cosmologie contemporaine, l'Univers est en expansion, en refroidissement et en dilution, depuis un état primordial, infiniment petit, infiniment dense et infiniment chaud, le big bang

  • La soupe primordiale est décrite par la physique des particules

  • Infiniment petit et infiniment bref = infiniment grand en énergie.

  • Aux énergies actuellement accessibles, tout se ramène à la simplicité de champs de matière aux douze formes élémentaires s’agençant selon les quatre interactions

  • Quête de l’unité: conception de l’état de l’univers où tous les champs de matière et d’interaction se fondraient en un unique superchamp

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L'histoire de toute chose

  • L’univers se diluant et se refroidissant, le superchamp se défait, les champs de matière s’individualisent, les interactions se différencient, l'énergie se transforme en masse, de nouveaux états de la matière se forment dans une succession d'événements objets des recherches actuelles:

  • Émergence des masses

  • Condensation de la soupe de quarks et gluons en protons et neutrons

  • Synthèse des noyaux légers

  • Formation des atomes

  • Émission du rayonnement thermique

  • Formation des étoiles et galaxies

  • Naissance du système solaire, de la Terre, de la vie, …

2005 l'Odyssée de la Matière


L mergence des masses
L'émergence des masses

  • En relativité restreinte, l'énergie précède logiquement la masse: il y a de l'énergie sans masse; il n'y a pas de masse sans énergie

  • En cosmogonie scientifique, l'énergie précède temporellement la masse: dans l'histoire de l'Univers, il y a eu une époque où aucune particule n'avait de masse.

  • Enjeu du programme du LHC (qui devrait débuter en 2007): étudier le mécanisme (boson de Higgs) par lequel ont émergé les masses des particules, et, peut-être la masse cachée de l'Univers

2005 l'Odyssée de la Matière


Une natureconsonante avec elle-même

  • L’univers se présente comme un fractal, se modifiant en fonction de l’énergie mais en restant auto-similaire

  • « La nature déploie la même splendeur sans limites dans l’atome ou dans la nébuleuse, et tout moyen nouveau de connaissance la montre plus vaste et diverse, plus féconde, plus imprévue, plus belle, plus riche d’insondable immensité. » Jean Perrin , les atomes

  • « And if Nature be most simple and fully consonant to her self she observes the same method in regulating the motions of smaller bodies which she doth in regulating those of the greater. » Newton

2005 l'Odyssée de la Matière



Un fourmillement prodigieux de mondes nouveaux
Un fourmillement prodigieux de mondes nouveaux

2005 l'Odyssée de la Matière


Les atomes ne sont pas ces éléments éternels et insécables dont l'irréductible simplicité donnait au possible une borne, et, dans leur inimaginable petitesse, nous commençons à pressentir un fourmillement prodigieux de mondes nouveaux.

Les atomes, conclusion

2005 l'Odyssée de la Matière


Ainsi, l'astronome découvre, saisi de vertige, au-delà des cieux familiers, au-delà de ces gouffres d'ombre que la lumière met des millénaires à franchir, de pâles flocons perdus dans l'espace, voies lactées démesurément lointaines dont la faible lueur nous révèle encore la palpitation ardente de millions d'astres géants.

Les atomes, conclusion

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Deux millions de galaxies cieux familiers, au-delà de ces gouffres d'ombre que la lumière met des millénaires à franchir, de pâles flocons perdus dans l'espace, voies lactées démesurément lointaines dont la faible lueur nous révèle encore la palpitation ardente de millions d'astres géants.

2005 l'Odyssée de la Matière


2005 l'Odyssée de la Matière cieux familiers, au-delà de ces gouffres d'ombre que la lumière met des millénaires à franchir, de pâles flocons perdus dans l'espace, voies lactées démesurément lointaines dont la faible lueur nous révèle encore la palpitation ardente de millions d'astres géants.


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Les neutrinos

Les neutrinos cieux familiers, au-delà de ces gouffres d'ombre que la lumière met des millénaires à franchir, de pâles flocons perdus dans l'espace, voies lactées démesurément lointaines dont la faible lueur nous révèle encore la palpitation ardente de millions d'astres géants.


Les plus fantomatiques des particules
Les plus fantomatiques des particules cieux familiers, au-delà de ces gouffres d'ombre que la lumière met des millénaires à franchir, de pâles flocons perdus dans l'espace, voies lactées démesurément lointaines dont la faible lueur nous révèle encore la palpitation ardente de millions d'astres géants.

  • En provenance du Soleil, nous en recevons, de jour comme de nuit, 65 milliards par centimètre carré et par seconde

  • La quasi-totalité traversent la Terre sans que rien ne leur arrive

  • Pour avoir une chance sur deux de les arrêter il faudrait une barrière de plomb d'une année-lumière d'épaisseur

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Les trous noirs

Les trous noirs cieux familiers, au-delà de ces gouffres d'ombre que la lumière met des millénaires à franchir, de pâles flocons perdus dans l'espace, voies lactées démesurément lointaines dont la faible lueur nous révèle encore la palpitation ardente de millions d'astres géants.


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Un trou noir massif au centre de notre galaxie
Un trou noir massif au centre de notre Galaxie cieux familiers, au-delà de ces gouffres d'ombre que la lumière met des millénaires à franchir, de pâles flocons perdus dans l'espace, voies lactées démesurément lointaines dont la faible lueur nous révèle encore la palpitation ardente de millions d'astres géants.

Le centre de notre Galaxie révélé par le VLT de l'ESO muni du système d'optique adaptative NAOS

Europhysics News 35/5/2004

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Une nouvelle sagesse

Une nouvelle sagesse cieux familiers, au-delà de ces gouffres d'ombre que la lumière met des millénaires à franchir, de pâles flocons perdus dans l'espace, voies lactées démesurément lointaines dont la faible lueur nous révèle encore la palpitation ardente de millions d'astres géants.


Préface du livre de Georges Lemaître: cieux familiers, au-delà de ces gouffres d'ombre que la lumière met des millénaires à franchir, de pâles flocons perdus dans l'espace, voies lactées démesurément lointaines dont la faible lueur nous révèle encore la palpitation ardente de millions d'astres géants.l'hypothèse de l'atome primitif, Ferdinand Gonseth

La science moderne, en éclairant les techniques s'est faite humblement utilitaire, - ne songeons pas à nous en plaindre.

Et cependant la portée d'une hypothèse cosmogonique dépasse d'une manière incommensurable la sphère de l'utile immédiat et touche à la nécessité

Dans chaque esprit, comme un élément nécessaire à son équilibre, se trouve comprise une hypothèse cosmogonique.

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Les décideurs auront-ils la sagesse de continuer à soutenir l'effort de recherche fondamentale ?

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