Introduction à l’histoire et à l’épistémologie de la physique

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1 Introduction à l’histoire et à l’épistémologie de la physique
Lectures physique générale histoire de la physique regards de grands physiciens romans scientifiques La mécanique de Newton et Galilée Qu’est ce que la lumière ? La révolution relativiste La révolution quantique D.Flick, INAPG 2006

2 Archimède 287-212 avant JC observation / expériences  induction
loi générale : «  Tout corps … »  déduction prévisions (parfois explication) Eureka, Qu’on me donne un point d’appui et je soulèverai le monde

3 Archimède 287-212 avant JC observation / expériences  induction
loi générale : «  Tout corps … »  déduction prévisions (parfois explication) Source : Histoire de la physique et des physiciens J.C.Boudenot Une pierre …> Tout corps / gd nbr d ’observations,conditions variées/ aucune observation contraire (cygne noir)

4 Archimède avant JC Hieron: 2ème roi de Syracuse (or >argent 2 fois moins dense)

5 Galilée si l’on éliminait complètement la résistance du milieu, tous les corps tomberaient à la même vitesse contrairement à Aristote :un mouvement (rectiligne uniforme) est ‘comme rien’, le mouvement ne s’arrête pas avec l’action : principe d’inertie

6 Galilée Copernic >Ptolémé

7 Galilée 1564-1642 dialogues entre Simplicio , Sagredo et Salviati
? Salviati : une pierre lâchée du plus haut d’un mât, tandis que la galère vogue avec toute la force et la vitesse possible, ne tombe point ailleurs qu’elle ne le ferait si la même galère était arrêtée et immobile ptoléméen, copernicien, intelligent sans a priori

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9 Confirmation de la rotation de la Terre sur elle même
Pendule de Foucault 1851 Cave du 5eme L=2m, m=5kg puis Panthéon : L=70m, m=28kg, D=6m

10 aberration : J.Bradley 1727 parallaxe stellaire
Confirmation de la rotation de la Terre autour du soleil aberration : J.Bradley 1727 repère fixe repère de la voiture repère ‘fixe’ repère de la Terre parallaxe stellaire

11 Johannes Keppler 1571-1630 T2  R3  t
Il fallut certainement presque autant d’efforts pour dégager les trois lois de Keppler du reste de ses écrits qu’il n’en aurait coûté pour refaire leur découverte. Bernard Cohen à la suite de Tycho Brahé, excentricité de Mars

12 Johannes Keppler 1571-1630 Observation du Monde
- périodique : lois de Keppler - imparfait - non immuable cratères sur la lune,taches sur le soleil nouvelle étoile :novae

13 Newton 1642-1727 Compréhension du Monde - postulats de Newton 1687
(référentiel euclidien fixe) - gravitation (action instantanée à distance) - interprétation corpusculaire de la lumière naissance=mort de Galilée, mêmes lois pour une pomme que pour la lune et le soleil, Huygens : force centrifuge = attraction. Haley : attraction en 1/r² ? < Newton :trajectoire = ellipse mgravea = minerteg , arc en ciel (Goethe), télescope

14 Confirmations expérimentales
Haley annonce en 1705 le retour de la comète qui porte son nom en décembre 1758 (ce qui se réalise effectivement) Perturbations de l’orbite d’Uranus  découverte de Neptune par Urbain le Verrier 1845 Perturbations de l’orbite de Neptune  découverte de Pluton par Clyde Tombaugh 1930 relations de Newtons mises en forme par le français Pierre Varignon Leonhard Euler (ei=-1) mécanique du solide indéformable , mécanique des fluides parfaits reprend le principe de Maupertuis : “ tous les effets de la nature suivent quelque loi de maximum ou de minimum ” Joseph Louis Lagrange : mécanique analytique William Hamilton : notations et formulation hamiltonienne (quaternions >> mécanique quantique)

15 Expérience de Henri Cavendish 1798 la pesée de la Terre
10-6 g / vérification mgravea = minerteg à près

16 espace temps solide (particule)
Toute la mécanique des solides (terrestre et céleste) est comprise grâce aux notions de espace temps solide (particule) force temps “ vrai et mathématique, sans relation avec rien d’extérieur [qui] coule uniformément ” espace “ sans relation aux choses extérieures [qui] demeure toujours similaire et immobile ”

17 périhélie de mercure

18 Déterminisme Nous devons envisager l’état présent de l’Univers comme l’effet de son état antérieur et comme la cause de l’état qui va suivre. Une intelligence qui, pour un instant donné, connaîtrait toutes les forces dont la nature est animée et la situation respective des êtres qui la composent,…, embrasserait dans la même formule les mouvements des plus grands corps de l’Univers et ceux du plus léger atome; rien ne serait incertain pour elle et l’avenir comme le passé serait présent à ses yeux. Pierre Simon de Laplace Il fonde la société d’Arcueil dont le but est de “ramener la vision newtonienne du mode aux dimensions de la physique moléculaire en appliquant, par les mathématiques, les lois de Newton aux phénomènes tels que la lumière, la chaleur, le son, l’électricité et le magnétisme ”  A Bonaparte qui lui reproche de ne pas citer Dieu dans son traité  de mécanique céleste: “ Sire, je n’ai pas eu besoin de cette hypothèse ”

19 Déterminisme Claude Bernard 1813-1878
La loi nous donne le rapport numérique de l’effet à la cause, et c’est le but auquel s’arrête la science. Lorsqu’on possède la loi d’un phénomène, on connaît non seulement le déterminisme absolu des conditions de son existence, mais encore les rapports qui sont relatifs à toutes ses variations, de sorte qu’on peut prédire les modifications de ce phénomène dans toutes les circonstances. Lavoisier, en créant la chimie moderne, expliqua du même coup la nature des phénomènes qui se passent dans les être vivants ..Les manifestations physico-chimiques ne changent pas de nature suivant qu’elles ont lieu au dedans ou au dehors de l’organisme …. Il n ’y a qu’une espèce d’agent calorifique; qu’il soit engendré dans un foyer ou dans un organisme, il n’en est pas moins identique à lui-même. Il ne saurait y avoir une chaleur physique et une chaleur animale…Il faut reconnaître partout la continuité des phénomènes. Claude Bernard

20 Comprendre l’univers ? La philosophie (la science) est écrite dans ce très grand livre qui se tient constamment ouvert sous nos yeux, l’univers, et qui ne peut se comprendre que si l’on a préalablement appris à en comprendre la langue et à en connaître les caractères employés pour l’écrire. Ce livre est écrit dans la langue mathématique, ses caractères sont des triangles, des cercles et d’autres figures géométriques, sans l’intermédiaires desquels il est impossible d’en comprendre humainement un seul mot, et sans lesquels on ne fait qu’errer vainement dans un labyrinthe obscur. Galilée (empirisme naïf) échiquier de Feynman , lois de déplacement d’abord quelques pions (roque), principe un fou reste tjs sur noir (sauf pion à dame)

21 Comprendre l’univers et le vivant ?
Il faut dire comme Newton, a propos de l’attraction : « Les corps tombent d’après un mouvement accéléré dont on connaît la loi: voilà le fait, voilà le réel. Mais la cause première qui fait tomber ces corps est absolument inconnue. On peut dire, pour se représenter le phénomène à l’esprit, que le corps les tombent comme s’il y avait une force d’attraction qui les sollicite vers le centre de la Terre, quasi esset attractio. Mais la force d’attraction n’existe pas, on ne la voit pas, ce n ’est qu ’un mot pour abréger le discours ». De même quand un physiologiste invoque la force vitale ou la vie, il ne la voit pas, il ne fait que prononcer un mot; le phénomène vital seul existe avec ses conditions matérielles, et c’est là la seule chose qu’il puisse étudier et connaître. Claude Bernard

22 Emmanuel Kant 1724-1804 phénomène / noumène
(objet pour nous) noumène (objet en soi) cadre spatio-temporel catégories que percevons-nous de l’eau dans un récipient ?

23 Qu’est ce que la chaleur ?
Les physiciens sont partagés sur la nature de la chaleur. Plusieurs d ’entre eux la regarde comme un fluide répandu dans toute la nature et dont les corps sont plus ou moins pénétrés, à raison de leur température…D’autres physiciens pensent que la chaleur n’est que le résultat des mouvements insensible des molécules de la matière Laplace et Lavoisier 1780 phlogistique

24 Sadi Carnot 1796-1832 James-P Joule1818-1889 Rudolf Clausius 1822-1888
puissance motrice du feu on peut comparer la puissance motrice de la chaleur à celle d’une chute d’eau : toutes deux ont un maximum que l’on ne peut dépasser Carnot travail  chaleur 1er et 2ème principes 2nd principe énoncé avant le 1er Marie François Sadi Carnot Pdt Republique 1887 / =transformation mort de l’Univers ? / vie et 2nd principe : le hasard et la nec. J.Monod

25 James C. Maxwell 1831-1879 Ludwig Boltzmann 1844-1906
microscopique réversible  macroscopique irréversible théorie cinétique des gaz : 1859 entropie statistique : 1877 L.Bolzmann Déjà Daniel Bernoulli : pV=1/3 Nmv² et Joule1848 : 1/2 mv² =kT Maxwell : 1ère photo couleur 1861 Boltzmann, incompris, se suicide

26 irréversibilité ?

27 Objection au deuxième principe : démon de Maxwell
Si l’on renverse précisément le mouvement de chaque particule au même instant, alors tout se déroulera à l’envers jusqu’au début des choses…les hommes verront leurs amis passer de la tombe au berceau…Je ne crois pas qu’un tel exploit soit nécessaire pour renverser le 2nd principe… Mettons un gaz dans un récipient…Engageons un portier…à chaque fois qu’il voit arriver une molécule à grande vitesse il doit la laisser passer, mais si la molécule arrive lentement il doit garder la port fermée. On peut pourra élever ainsi la température d’un compartiment sans aucune dépense d’énergie.

28 Objections au deuxième principe
Deux objections avaient entraîné la défaite de Boltzmann : celle du retour et celle de l’inversion. Théorème de récurrence de Poincaré > tout système dynamique finira toujours (après le temps de Poincaré) par repasser aussi près que l’on veut de sa position initiale Si nous inversons les vitesses, le système va parcourir en sens inverse la trajectoire qui l’a menée à l’état ou l’inversion a été effectuée. Dans les deux cas, la situation initiale n’appartient donc pas seulement à un passé irréversiblement disparu, mais aussi à un avenir possible L’irréversibilité n’est donc qu’apparence …? ... Prigogine

29 Poincaré, Borel et Lebesgue… ... Kolmogorov, Lyapounov
bifurcations  imprédictibilité chaos déterministe (énergie et impulsion sont les seuls invariants généraux) Trajectoire chaotique de Pluton

30 imprédictibilité ?

31 Levée de certaines objections au deuxième principe
Prigogine (suite) L’existence pour les systèmes chaotiques d’un horizon temporel mesuré par le temps de Lyapounov ôte tout portée à ces deux objections. Le temps de Poincaré est bien plus long que le temps de Lyapounov. Dès lors nous ne pourrons plus décrire une trajectoire revenant à son point initial: ce retour se situe au delà de l’horizon temporel, à un moment où la notion de trajectoire individuelle a depuis longtemps perdu son sens.

32 Qu’est ce que la lumière ?
Newton Laplace corpuscules vair veau > vair Euclide pensait que la lumière était émise par l’œil / pourtant Newton a mis en évidence des phénomènes d’interférence: anneaux de Newton

33 Qu’est ce que la lumière ?
Huygens , Hooke Fresnel , Euler ondes vair veau < vair v= eau < air  veau < vair Huygens (croisement de 2 faisceaux sans interaction: traité de la lumière 1677) / D’Alembert eq des ondes 1747 Hooke (élasticité des corps solides capables de transmettre des ondes, introduit le mot cellule en biologie) Euler  : “ la lumière n’est autre chose qu’une agitation causée par les particules de l’éther ” ( couleur <> longueur d’onde)

34 Equivalence des formulations : principe de Fermat 1662
maître nageur vair plage veau < vair mer nageur en péril Fermat : moindre temps (veau<vair), Leibnitz : moindre résistance (veau>vair) <> moindre action deMaupertuis (méca) n1.sin(i1)=n2.sin(i2) : loi de Descartes

35 Thomas Young 1773-1829 La lumière est une onde docteur en médecine
1801 / expérience: regarder entre le majeur et l ’index / Biot, défenseur de Newton donne une interprétation corpusculaire mais les franges prédites sont rectilignes au lieu d ’hyperboliques 1817 l’académie met au concours ‘ etude exp. et théorique de la diffraction’ Fresnel soumet un mémoire. Poisson, défenseur de Newton,prédit un effet a priori absurde d’après la théorie de Fresnel (le milieu de l’ombre d’un disque est éclairé !) . Fresnel fait l’expérience qui confirme en fait sa théorie (le milieu de l’ombre est bien eclairé)

36 Détermination de la vitesse de la lumière Olaus Römer 1644-1710 James Bradley 1693-1762
Immersion- émersion d’un satellite de Jupiter O.Römer 1677 tendance à avancer c est fini  horloge tendance à retarder (14min) Aberration stellaire : J.Bradley c = m/s Sept : Römer annonce à l ’acad. sc. Io va emergé avec 10 min de retard sur l’horaire prévue (9nov à 5h25,45s), explication le 21 nov. À l ’acad.

37 Hippolyte Fizeau 1819-1896 Léon Foucault 1819-1868
mire transparente miroir tournant Michelson (1933) km/s +/- 4km/s dans le vide : par décret : m/s (1983) Fizeau et Foucault : nés à 5 j / ensemble 1ère photo du Soleil puis rivalité : 2 articles ~ même jour à l ’académie des sc. Fizeau 750 dents, 12,5 t/s Suresnes-Montmatre: 8,6 km / Foucault miroir tournat 800 t/s , L=4m (air ou eau)

38 expériences décisives sur la nature de la lumière
ceau.fixe = c/n < cvide ceau.mobile = c/n + (1+1/n²)v  la lumière est une onde ! confirmation théorie ondulatoire de Fresnel de 1819 (<40 ans) effet Doppler-Fizeau prévu en 1848, observé par Huggins sur Syrius 1868, par Hubble sur les galaxies

39 Luigi Galvani 1737-1798 (prof. d’anatomie)
Alexandro Volta Charles Coulomb Hans Christian Oersted André-M Ampère Michael Faraday Luigi Galvani (prof. d’anatomie) collection de lois empiriques sur l’électricité et le magnétisme Un médecin prescrit à sa femme(maladie de poitrine) un bouillon de cuisses de grenouilles. Galvani les dépouille lui même avec un scalpel (nerfs). Il pense qu’il existe une électricité animale !

40 électricité  magnétisme magnétisme  électricité notion de champs : action de proche en proche malheureux Colladon

41 Dialogue : expérience / lois / théorie
Mon ignorance des mathématiques est un obstacles à des échanges … du plus grand intérêt. Lorsqu’un mathématicien, engagé dans l’étude d’actions physiques, est arrivé à ses conclusions, celles-ci ne peuvent-elles pas s’exprimer en langage commun de manière aussi complète, claire et définitive que dans des formules mathématiques Je dois avouer que je répugne à employer le mot atome. Car s’il est aisé d’en parler, il est difficile de s’en faire une idée claire Faraday (à Ampère et Maxwell) En commençant l’étude sur l’électricité, je résolus de ne lire aucun travail avant de posséder à fond les recherches expérimentales de Faraday Maxwell Faraday exp sans aucune formule, école primaire, relieur à 13 ans, cours du soir libres à la royale society, assistant de Davy invente aussi l’inox, le moteur électrique, la liquéfaction des gaz, l’électrolyse F=96500 C/mole.

42 James C. Maxwell 1831-1879 Hendrick Lorentz 1853-1928
équations de champ unifiant l’électromagnétisme 1873 les ondes électromagnétiques ont la même célérité que la lumière ! forces exercées par les champs sur les particules 1895 Nous ne pouvons guère éviter d’inférer que la lumière n’est autre que les oscillations transverses du même milieu qui est la cause des phénomènes électro-magnétiques. Maxwell / équations mises en forme par Heaviside / Maxwell donne une interprétation mécanique compliquée (rouage…) qui nous semble maintenant complètement inutile.

43 Confirmation expérimentale
Heinrich Hertz met en évidence (émission + réception) des ondes électro-magnétiques non lumineuses en 1887

44 Toute la mécanique et tout l’électromagnétisme sont compris
grâce aux notions de espace temps particule force champ onde gravité électro- magnétisme

45 effet photo-électrique
Hertz confirme (ondes hertziennes) et infirme (effet phto-électrique) les eq. de Maxwell

46 La lumière est une onde comme le son le support pour le son est l’air quel est le support pour la lumière ? l’éther sans vent avec vent L’éther doit être fixe car cela explique l’aberration et l’effet Doppler-Fizeau , par ailleurs les équations de Maxwell ne sont pas invariantes par la transformation de Galilée  il doit être possible de percevoir le vent d’éther

47 vent d’éther ? 30 km/s << 300 000 km/s
Rotation de la Terre sur elle même : 0,5 km/s

48 vent d’éther ?

49 expérience de Michelson 1887

50 expérience de Michelson 1887 résultat attendu :
2 L/c

51 expérience de Michelson 1887 résultat obtenu :

52 Albert Michelson 1852-1887 Le vent d’éther est nul
support de grès sur bain de mercure : < 1cm/s

53 Réfutabilité : Karl Popper 1902-1994
une seule expérience en contradiction avec la théorie (ondulatoire) suffit à la réfuter inversement une théorie qui n’est qui n’est réfutable par aucun événement qui se puisse concevoir est dépourvue de caractère scientifique causalité: la cause d’un phénomène ne peut peut être qu’un autre phénomène non transcendant l’opium fait dormir car il a une vertu dormitive / l’orage éclate à cause de la colère de Dieu (non réfutable)

54 Hendrick Lorentz 1853-1928 Henri Poincaré 1854-1912
Contraction des longueurs dilatation du temps : transformation de Lorentz Les équations de Maxwell (propagation des ondes électromagnétiques) sont invariantes par la transformation de Lorentz Raymond Poincaré Pdt de la république en 1913

55 Tout avait été indiqué ou soupçonné mais rien n’avait été compris (Milne-Edwards)
Peu importe que l’éther existe réellement : c’est l’affaire des métaphysiciens 1902 Il n’y a pas d’espace absolu et nous ne concevons que des mouvements relatifs 1902 Il n’y a pas de temps absolu : dire que deux durées sont égales, c’est une assertion qui n’a en elle-même aucun sens… Nous n’avons pas l’intuition directe de deux événements qui se produisent sur deux théâtres différents 1902 Les lois des phénomènes physiques doivent être les mêmes soit pour un observateur fixe, soit par un observateur entraîné dans un mouvement uniforme … nous n ’avons aucun moyen de discerner si nous sommes oui ou non entraînés dans un tel mouvement 1904 Peut être pourrions-nous construire une mécanique entièrement nouvelle, que nous avons seulement réussi à apercevoir, dans laquelle l’inertie augmenterait avec la vitesse. La vitesse de la lumière deviendrait alors une limite impossible à dépasser H.Poincaré Ce qui est nouveau …c’est… que la portée de la transformation de Lorentz dépassait sa connexion avec les équations de Maxwell et mettait en cause la nature de l’espace et du temps A.Einstein 1900 H.Poincaré utilise implicitement E=mc² / cf aussi Lorentz, Lorenz, Voigt, Fitzgerald Alfred Lienard (mines de St Etienne) dans ‘ éclairage public’ c=vmax (avant Einstein)

56 Albert Einstein Nous avons besoin d’une définition telle de la simultanéité qu’elle nous donne une méthode au moyen de laquelle nous pouvons décider par des expériences si les deux coups de foudre ont été simultanés ou non. Tant que cette exigence n’est pas satisfaite je suis en tant que physicien (et aussi comme non physicien) victime d’une illusion si je crois pouvoir attacher un sens à l’affirmation de la simultanéité (si vous ne m’accorder pas cela avec conviction, il est inutile de continuer). Heisenberg: Einstein est parti à juste titre de cette constatation banale : le temps, c’est ce que l’on voit indiqué sur sa montre Naissance= mort de Maxwell / renvoyé du lycée / thèse refusée car trop courte, il y rajoute une phrase, elle est acceptée/ il présente son article sur la relativité restreinte pour devenir MC il est rejeté/ il n’obtient le prix Nobel qu’en 1922 pour l ’effet photo-électrique.

57 Postulats de la relativité restreinte (1905)
tous les référentiels galiléen sont équivalents pour la formulation des lois de la physique (y compris l’électro-magnétisme.) vitesse de la lumière indépendante du référentiel réflexion sur la mesure du temps et des distances transformation de Galilée  transformation de Lorentz   dilatation du temps contraction des longueurs une horloge mobile une règle mobile semble semble tourner moins vite plus courte L’éther luminifère est superflu conservation impulsion+énergie mais pas de la masse

58 Postulats de la relativité générale (1915) Toutes les lois de la nature sont les mêmes dans tous les repères (même accélérés) gravitation  accélération trajectoire = géodésiques d’un espace non euclidien modifié par les masses ou accélérations en présence d’un forte gravité ou accélération il n’est pas possible de remplir l’espace avec des cubes v << c  lois de Newton Essai de bâtir un champ de gravité ne se modifiant pas instantanément (cf eq de Maxwell) >échec Expérience de pensée : mesure de la circonférence d’un cercle en rotation (contraction des longueurs tang. mais pas radial) >  3.14 ! Si vous vous plaignez d’avoir des pbs math que diriez vous si vous aviez les miens

59 Confirmations expérimentales
durée de vie des mésons mobiles > durée de vie d’un méson au repos écarts de longueur d’onde des raies d’atome d’hydrogène mobiles par rapport à des atomes au repos déviation de la lumière par la masse du Soleil éclipse de 1919 , mesure par Edington Quelle aurait été votre réaction si les observations avaient infirmé votre théorie ? : j’en aurais été navré pour Dieu car la théorie est exacte. A. Einstein explique l’avance du périhélie de Mercure / mésons au repos s > x100 pour v= c / aberration des étoiles (correction relativiste) choc frontal de 2 protons = 2 protons + 1 méson de Yukawa / De+De > He + énergie 2x2.014g>4,0026 g J=1000W x 80 ans sur Planck : c’était un des êtres les plus intelligents que j’ai jamais connu, et un de mes meilleurs amis; mais vous savez, il n ’a jamais vraiment compris la physique….Pendant l'éclipse de 1919, il est resté debout toute la nuit pour voir si elle allait confirmer la déviation de la lumière par le champ gravitationnel solaire. S’il avait vraiment compris comment la théorie de la relativité générale explique l’équivalence de la masse inerte et de la masse gravitationnelle, il serait allé se coucher comme moi. GPS, émission stimulée > laser, mvt brownien avec J Perrin, viscosité des suspensions Paradoxe des jumeaux de Langevin

60 Révolution relativiste
remise en cause de l’espace et du temps absolu redéfinition de la causalité et des notions passé et de futur utilisation de géométries non euclidiennes remise en cause de la conservation de la masse remise en cause de toute action instantanée futur eo ‘ailleurs’ passé mais si v<<c  lois de Newton dans l’ailleurs, un événement peut être antérieur ou ultérieur à eo selon l ’observateur mais ne peut être ni la cause ni la conséquence de de l ’évenement eo dans le passé les événements sont toujours antérieurs à eo (quel que soit l ’observateur) la distance x²+  y²+  z²-c²  t² dans l ’espace-temps est indépendant de l’observateur

61 science normale en progrès continu et révolution scientifique
La physique est définitivement constituée dans ses concepts fondamentaux. Lord Kelvin (à la fin du XIX° s) Par une exigence subite, le physicien contemporain nous demandera d’associer à l’idée de simultanéité l’expérience qui doit prouver la simultanéité de deux événements; c’est de cette exigence inouïe qu’est née la relativité. G. Bachelard Dans son état normal, un groupe scientifique est un instrument extrêmement efficace pour résoudre les problèmes que définissent ses paradigmes. Et les résultats de cette efficacité doit être inévitablement un progrès. Ce point est hors de doute. Il ne fait cependant que souligner …les progrès réalisés grâce à la science extraordinaire. T. Kuhn Kelvin suite: tout ce qu’elle peut maintenant apporter c’est la détermination de qcq décimales suppl Il y a bien deux petits pbs: celui du résultats négatifs de l’exp de Michelson et celui du corps noir, mais ils seront rapidement résolus et n’altèrent en rien notre confiance.

62 Joseph Thomson 1856-1940 Jean Perrin 1870-1942 Ernest Rutherford 1871-1937
He++=ray alpha feuille d’or 10µm - électron - modèle planétaire de l’atome ..théorie atomique, radioactivité, particules élémentaires ... Lucrèce 1er siecle av JC : atome/ John Dalton 1766/1844 lois des proportions multiples Thales : électron =ambre / Si les rayons cathodiques étaient des corpuscules chargés se déplaçant à haute vitesse… leur taille doit être petit comparée à celle des atomes : Thomson (q/m)e- = (q/m)p+ /2000. Atome de Thomson= pouding=sphère+ avec des grains -. Millikan : quantification de la charge (gouttelettes d’huiles dans un condensateur, chargés de n (entier) d’électrons) Jean Perrin : 13 façons d’estimer le nbr d ’Avogadro dont une d ’après le mouvement brownien des grains de pollen (avec Einstein) Rutherford : c’était comme si en tirant au pistolet sur une feuille de papier, la balle avait rebondi > distance He++/noyau très faible pour expliquer la répulsion coulombienne Planck (1883) : en dépit des grands succès remportés par la théorie atomique…il faudra.. l’abandonner au profit de l’hyp. d’une matière continue

63 Rayonnement du corps noir
6000 K (soleil) énergie 3000 K (lampe à tungstène) fréquence Loi théorique de Rayleigh au faibles fréquence, loi empiriquede Wien aux grandes fréquences: Plank propose une loi empirique joignant les deux que son ami Rubens vérifie la nuit suivante pour les fréquences intermédiaires. Catastrophe ultaviolette : d’après la loi de Boltzmann sur la probabilité (pour un oscillateur) d’être à un niveau d ’énergie donné : plus la fréquence est élevée plus l’émission est importante : la somme de l’énergie émise tend vers l’infini. Idée de Planck les niveaux d’énergie ne peuvent prendre que certaines valeurs discrètes (fonction de la fréquence). Il s’arrange pour arriver à sa loi empirique (il voulait au départ montrer que l’interaction rayonnement matière était à l ’origine de l’irréversibilité) A son fils ‘aujourd’hui j’ai fait une découverte aussi importante que celle de Newton’ / vie familiale remplie de drames.

64 Effet photo-électrique
énergie cinétique des électrons fréquence de la lumière Indépendamment du flux lumineux, si celui ci augmente c’est le nombre d’électrons émis qui augmente Idée d’Enstein les ‘grains de lumière’ doivent avoir une énergie suffisante pour arracher l’électron, le surplus d ’énergie devient de l’énergie cinétique (il ne découvre les travaux de Planck qu’en 1906)

65 Max Planck 1858-1947 Albert Einstein 1879-1955
- loi empirique du rayonnement du corps noir interprété à l’aide de quanta d’énergies : E=h (1900) - interprétation corpusculaire de la lumière : le photon est grain de lumière (effet photoélectrique 1905) Acceptation d’une double interprétation d’un phénomène Planck transgresse le ‘sacro-saint’ principe de Leibnitz ‘natura non facit saltus’ Einstein transgresse la conviction scientifique (démontée par de nbres exp) que ‘la lumière est une onde’ pour Plank, les quanta sont d’abord un artifice de calcul (même s’il comprend profondément le 2nd principe) et ne s’appliquent qu’aux échanges entre rayonnement et matière (en 1911 il tente même de rétablir la continuité des échanges ray/matière) / pour Einstein les quanta ont une réalité physique Planck: Tandis que l’importance du quantum d’action dans les rapports entre entropie et probabilité se trouvaient définitivement établie, le rôle joué par cette constante nouvelle…restait encore tout a fait obscure…elle se révélait encombrante et récalcitrante... Planck défend les savants juifs, alors que Lenard et Stark se montrent antisémites

66 Confirmation expérimentale
Le photon possède une impulsion p= h/c (Einstein 1916) Mise en évidence de l’effet Compton 1923 photon électron explique l’effet thermoélectrique

67 Niels Bohr Interprétation des loi empirique des spectres de raies utilisant la quantification du moment cinétique Lorsque je vis la formule de Balmer, tout devint clair pour moi. 1913 Spectres de raie : Bunsen et Kirchhoff découvrent le rubidium, le césium, l’helium (d’abord sur le soleil) modèle (mvr = nh/ 2pi) confirmé par potentiel d’ionisation des gaz (Hertz/Frank) / Sommerfeld orbites elliptiques mvt de rotation (= accéléré) de l’électron > rayonnement > énergie baisse > électron s ’effondre sur le noyau !

68 Louis de Broglie 1892-1987 Interprétation ondulatoire des particules
(1923) :  = h /p Commence des études de droit et d’histoire, son frère ayant rédigé les CR du conseil Solvay 1911, il se consacre à la physique allant jusqu’à rompre ses fiancailles. Puis soudain me vint en 1923, l ’idée que la coexistence des ondes et des particules n’existait pas seulement dans le cas étudié par Einstein et qu’elle devait être généralisée pour toutes les particules. (analogie Fermat/ Maupertuis <> lumière/particule)

69 Confirmation expérimentale 1927
diffraction des électrons puis expérience d’interférence avec des électrons

70 Interférences obtenues avec des électrons

71 Erwin Schrödinger 1887-1961 Werner Heisenberg 1901-1976
Postulats de la mécanique ondulatoire ‘(1926) (physique quantique hors rayonnement) 1925 Heisenberg (mécanique des matrices)  1926 Dirac (q nombres)  1926 (fct d’onde) : non unicité des représentation cf mécanique Newton / Lagrange / Hammilton

72 particule  fonction d’onde évolution de la fonction d’onde : équation déterministe de Schrödinger fonction d’onde  probabilité position (x)  probabilité impulsion (px)  relation d’incertitude de Heisenberg x px  h/4 Feynman : rel.d’incertitude : il est impossible d’imaginer un appareil,quel qu’il soit, permettant de déterminer le trou emprunté par l’électron sans en même temps perturber l’électron suffisamment pour détruire la figure d’interférence. proba de présence = carré de la fonction d’onde (qui peut être <0 ou complexe) le principe d’incertitude ne permet pas au démon de Maxwell d’opérer les électrons n’ont pas véritablement de trajectoire dans l’atome

73 Paul Dirac et von Neuman onde-particule = vecteur d’état d’un espace de Hilbert extension au rayonnement prédiction de nombreuses particules notamment d’antimatière première approche quantique relativiste M. je ne comprends pas comment vous avez établi la formule: ce n’est pas une question c’est une constatation ! Oh j ’ai du faire une erreur de signe : un nombre impair de fautes ! Enrico Fermi : interaction faible / Hideki Yukawa : interaction forte Richard Feynman quantification du champ électro-magn

74 Révolution quantique physique classique newtonienne ou relativiste
déterministe (éventuellement non prédictible) probabilités classiques (choc , théorie cinétique des gaz) particule localisée suivant une trajectoire grandeurs continues on peut imaginer une mesure -sans influence sur le système -de précision tendant vers 0 physique quantique aléatoire système quantique : superposition de tous les états possibles, chaque état évolue de façon déterministe mais la mesure choisit ‘au hasard’ un des états amplitude de probabilité (+/-)  loi de probabilité (somme des amplitudes)² dualité onde-particule avec probabilité de présence toute mesure modifie le système la précision des grandeurs continues (position, impulsion) est limitée les autres grandeurs ne peuvent prendre que des valeurs discrètes (quantification de l’énergie, de la charge, des moment cinétiques et magn.…)

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76 Bohr / Einstein Certains physiciens, parmi lesquels je me trouve moi même, ne peuvent pas croire que nous devions abandonner, réellement et pour toujours, l’idée d’une représentation directe de la réalité physique dans l’espace et le temps, ou que nous devions accepter que les événements dans la nature ressembent à un jeu de hasard. A.Einstein Dieu connaît simultanément la position et la vitesse d’une particule. M.Planck Il est faux de penser que le but de la physique est de trouver comment est faite la nature. La physique est seulement concernée par ce que l’on peut dire sur elle. N.Bohr Le résultat d’une seule expérience n’est déterminé par aucune loi et par conséquent il est sans cause W.Pauli Cette interrogation sur la réalité des choses en dehors de la mesure ou de l’observation, le lecteur l’a sans doute appréhendée le jour ou il s’est demandé si l’ampoule de son réfrigérateur était bien éteinte lorsque la porte de ce dernier était fermée. Mais elle prend ici une portée nouvelle E.Klein Einstein: Dieu ne joue pas aux dés / Bohr: Mais ce n’est pas à nous de lui prescrire comment gouverner le monde Ehrenfest: Einstein, j’ai honte pour toi, car tu argumentes maintenant contre la nouvelle théorie quantique exactement de la même manière que tes adversaires contre la théorie de la relativité R.Feynman :Je crois pouvoir dire à coup sûr que personne ne comprend la mécanique quantique. Ce n’est pas notre ignorance des rouages internes, des complications internes, qui entraîne l’apparition des probabilités dans la nature. Il semble que ce soit intrinsèque: ‘ la nature elle-même ne sait pas par quel trou est passé l’électron. La vrai force de l’esprit se mesure au degré d’incertitude qu’il est capable de supporter. Nietzche

77 Paradoxe EPR (Einstein, Podolsky, Rosen) Incomplétude
Paradoxe EPR (Einstein, Podolsky, Rosen) Incomplétude ? Modification instantanée à distance ? Expérience d’Alain Aspect 1982 B détection en A  immédiatement à distance réduction du paquet d’onde détection en B A

78  théorie avec amplitude de probabilité
 impossibilité d’une théorie déterministe à variable locale (John Bell)  théorie avec amplitude de probabilité ‘action’ instantanée à distance (mais sans transmission instantanée d’information)  théorie de l’onde pilote (De Broglie … David Bohm) particule surfant sur l’onde

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80 Vers la grande unification ? Théorie quantique des champs
| | mécanique quantique relativiste (nécessité d’utiliser la renormalisation) Dirac: renormalisation =‘compliquée et hideuse’ or ‘toute loi physique doit être empreinte de beauté’ Feynman : Je pense que la théorie de la renormalisation est juste un moyen de masquer les difficultés dues aux divergences de l’électrodynamique quantique, ça revient à cacher la poussière sous le tapis. 

81 Unification de la gravitation (relativiste) et de la mécanique quantique (y compris interaction forte)

82 J’ai l’impression de n’avoir été qu’un enfant qui joue sur la plage et se divertit en trouvant ça et là un coquillage plus joli qu’à l’ordinaire, alors que le grand océan de la vérité reste inexploré devant moi. I. Newton Heureux Newton, heureuse enfance de la science…La nature était pour lui un livre ouvert dont il pouvait lire les lettres sans effort. Les concepts qu’il employa pour mettre de l’ordre dans la matière expérimentale semblaient découler spontanément de l’expérience elle-même, de belles expériences qu’il alignait comme des jouets... A.Einstein onde=rayonnement  onde=particule=interaction (H.Yukawa 1934) particule=matière masse =énergie espace et temps absolus  espace-temps relativiste déterminisme  imprédictibilité, hasard quantique

83 Quelle sera le prochain pilier ébranlé ?
invariance par rapport au temps  conservation de l’énergie invariance par translation  conservation de l’impulsion invariance par rotation  conservation du moment cinétique invariance droite/gauche sans doute pas vérifiée ! Emmy Noether 1918 : invariance par une transformation  conservation d ’une quantité radioactivité beta : n > p+e+neutrino : le spin de l ’électron est plus souvent dans un sens (comme les vis à droite chez casto)

84 Autre bizarrerie quantique l’expérience de Stern et Gerlach quantification, superposition et probabilités

85 Source : Pour la science

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89 Paradoxe EPR (Einstein, Podolsky, Rosen) Incomplétude
Paradoxe EPR (Einstein, Podolsky, Rosen) Incomplétude ? Modification instantanée à distance ? Expérience d’Alain Aspect 1982 B détection en A  immédiatement à distance réduction du paquet d’onde détection en B A

90 n’explique pas la concordance à 100% entre A et B
1ère interprétation l’orientation est quelconque et fixée au départ mais elle est inconnue Probabilité de détection = cos²()  n’explique pas la concordance à 100% entre A et B A

91 2ème interprétation l’orientation est verticale OU horizontale et fixée au départ mais elle est inconnue Probabilité de détection = cos²() A

92 2ème interprétation l’orientation est verticale OU horizontale et fixée au départ mais elle est inconnue B n’explique pas la concordance à 100% entre A et B si on tourne de 45° les deux filtres A

93 3ème interprétation l’orientation est quelconque et fixée au départ mais elle est inconnue
Probabilité de détection = 100 % si <45°  A

94 3ème interprétation l’orientation est quelconque et fixée au départ mais elle est inconnue
B  n’explique pas la concordance à 85% lorsqu’un filtre est tourné de 22.5° A 75%

95 4ème interprétation : la bonne l’état initial est la ‘superposition’ des orientations horizontales et verticales B A

96 4ème interprétation : la bonne si A est détecté l’état est immédiatement réduit à l’orientation verticale B la probabilité d’être détecté en B est alors de 85% si le filtre B est orienté à 22.5° = cos² (22.5°) A aucune information ne peut être transmise instantanément: la relativité est sauve