Einstein realised that the jiggling of the pollen grains seen in Brownian motion was due to molecules of water hitting the tiny pollen grains, like players.

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1 Einstein realised that the jiggling of the pollen grains seen in Brownian motion was due to molecules of water hitting the tiny pollen grains, like players kicking the ball in a game of football. The pollen grains were visible but the water molecules weren't, so it looked like the grains were bouncing around on their own. The photoelectric effect is the name given to the observation that when light is shone onto a piece of metal, a small current flows through the metal. The light is giving its energy to electrons in the atoms of the metal and allowing them to move around, producing the current. However, not all colours of light affect metals in this way. No matter how bright a red light you have, it will not produce a current in a metal, but even a very dim blue light will result in a current flowing. The problem was that these results can't be explained if light is thought of as a wave. Waves can have any amount of energy you want - big waves have a lot of energy, small waves have very little. And if light is a wave, then the brightness of the light affects the amount of energy - the brighter the light, the bigger the wave, the more energy it has. And if this is the case, then why won't a bright red light produce a current in a piece of metal as well as a dim blue light? Einstein realised that the only way to explain the photoelectric effect was to say that instead of being a wave, as was generally accepted, light was actually made up of lots of small packets of energy called photons that behaved like particles. Einstein wasn't the first person to use the idea of photons, but he was the first to make it the starting point of an explanation rather than a convenient fiddle to explain away odd results. In 1905, at the age of 26, Einstein told us something amazing - that we were completely wrong about the way the universe works. Einstein replaced the laws of Newton and Galileo with his theory of special relativity which showed how space and time are really related. The theory of special relativity is the combination of two ideas and their seemingly weird consequences. The laws of physics are the same wherever you are. This means that an experiment carried out in a moving train will give the same results as when it is performed in a lab. Furthermore, if there were no windows on the train and it was moving at a constant speed, there is no experiment that you could do to see whether or not it was actually moving. The speed of light is the same for everyone. The speed of light being the same wherever you are might not seem strange, but think about how we normally experience speeds. A ball thrown on a moving train will have a greater speed than a ball thrown with the same force by someone standing on the platform. This is because the speed of the train is added to that of the ball to give its total speed. But this isn't the case with light. If you measure the speed of the light produced by torches on a moving train and a stationary platform, you will get the same speed - the speed of the train doesn't matter. When you measure the speed of light it doesn't matter if you are moving or stationary, or if the source of the light is moving - the speed is always the same: 300,000,000 metres per second.

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3 D'après vous, existe-t-il une vraie relation entre l'infiniment petit …
… et l'infiniment grand ?

4 Pour répondre à votre question, et bien qu'aucune preuve ne vienne le confirmer, je dirais qu'il est très tentant de faire des parallèles entre l'infiniment petit et l'infiniment grand. Il semble qu'à mesure que les hommes construisent des télescopes pouvant explorer des mondes de plus en plus lointains, et des microscopes pouvant scruter le coeur des atomes, nous allons de surprise en surprise. Il y a toujours, d'un côté comme de l'autre, des structures encore plus grandes ou encore plus fines que nous l'avions imaginé. Comme nous l'observons, l'univers change d'échelle, comme pour nous narguer.  Quant à savoir s'il existe une relation entre les grandes et les petites structures, le seul lien que je peux voir entre les deux est l'énergie. L'énergie responsable de tout; des amas galactiques (force gravitationnelle), à l'atome (forces atomiques). Le lien véritable pourrait être établi s'il pouvait être démontré que la matière peut être créée à partir du vide quantique. 

5 L’origine et la structure ultime de la matière
Manipuler l’infiniment petit pour comprendre l’infiniment grand

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11 Que sommes-nous ? Pas grand-chose … Nous sommes faits de vide !
Nous sommes nés de poussières ! Nous sommes immatériels !

12 Nous sommes faits de vide
La majeur partie du corps humain est composée d'eau. H O La tome de Savoie 0,1 mètre 10-1 L’atome: électron et noyau 0, mètre 10-10

13 Nous sommes faits à 99,9999% de vide … et encore …
Si on grossissait mille milliards de fois un atome d'hydrogène: L’atome occuperait un volume de 100m de diamètre Le noyau aurait une taille de 1mm et une masse de 1,7 millions de tonnes ! 50m Nous sommes faits à 99,9999% de vide … et encore …

14 Si l'atome était un stade,
le noyau serait une (petite) mouche au centre et les électrons seraient à la place des spectateurs, chacun ayant la taille d'un grain de poussière !!!

15 Nous sommes nés de poussières
Seuls les éléments légers ont été créés lors du Big Bang en 3 minutes (nucléosynthèse primordiale)… 99% des éléments dans l’Univers: proton: 75% H neutron: 25% He

16 Nous sommes nés de poussières
Les éléments plus lourds ont été synthétisés au cœur des étoiles … Et ont été dispersés dans l’espace lors de l’explosion des étoiles.

17 L’atome : mètres Le noyau : mètres

18 L’atome : mètres Le noyau : mètres Les protons et les neutrons 10-15 mètres

19 Les quarks: structure ultime de la matière ?
L’atome : mètres Le noyau : mètres Les quarks: structure ultime de la matière ? 10-18 mètres Les protons et les neutrons 10-15 mètres

20 Nous sommes immatériels !
La masse de chaque quark ne représente qu’une petite fraction de la masse du proton !! Le reste de la masse des p/n (donc notre masse) vient de l’énergie du vide « figée » lors du Big Bang

21 A la poursuite des constituants élémentaires
… des objets simples et sans structure sous jacente L’intuition de Démocrite : des atomes éternels, variables en taille, masse, forme et capables de se combiner entre eux pour expliquer la diversité des substances que l'on rencontre dans la nature.

22 A la poursuite des constituants élémentaires
… le temps des philosophes feu chaleur eau état liquide terre état solide air état gazeux Platon, Aristote: la pensée dominante

23 A la poursuite des constituants élémentaires
… le temps des alchimistes feu chaleur eau état liquide Pour remédier en partie à ces lacunes, les alchimistes du Moyen Âge, qui manipulaient les produits chimiques, ont ajouté à cette théorie la notion d'éléments de contrôle sensés modifier le caractère d'une substance: ainsi le sel augmenterait la résistance à la chaleur, le soufre la combustibilité et, en particulier, le mercure la métallicité. C'est ainsi que les alchimistes passèrent les siècles suivants à essayer de former de l'or en ajoutant du mercure à du plomb, sans grand résultat! terre état solide air état gazeux éléments de contrôle (sel, soufre, mercure) et métaux

24 A la poursuite des constituants élémentaires
… le temps des chimistes L’eau n'est pas un élément, mais est décomposable en éléments XVIII siècle: Les chimistes (Boyle, Cavendish, Lavoisier) et la renaissance de l’hypothèse atomique (Dalton): l’eau, l’air, le sel sont composites

25 A la poursuite des constituants élémentaires
… le temps des chimistes XIX siècle: Mendeleïev classe les éléments, chaque élément a son type d’atome

26 A la poursuite des constituants élémentaires
… le temps des physiciens XX siècle: La physique moderne mathématique et empirique devient quantique… constituants ultimes ?

27 A la poursuite des constituants élémentaires
100 particules subatomiques éléments chimiques soufre, sel, mercure Nombre de constituants élémentaires 10 quarks et leptons terre, air, feu, eau électron, proton 1 -1000 1000 1500 1800 1900 1950 1980 2000 2200

28 Le Modèle Standard quarks leptons up down électron neutrino famille 1
charme étrange muon famille 2 c s c s m- m+ nm nm top beauté tau Depuis environ 1930, de nouvelles particules ont été découvertes comme le muon, semblable à l'électron mais plus lourd, les quarks s, c, b, les neutrinos... Ces particules sortent du cadre de la définition de Boyle. Elles ne constituent pas la matière ``ordinaire''. Toutefois elles paraissent elles aussi élémentaires au sens où elles ne semblent pas avoir de sous-constituants. Peut-on les classer? Selon quels critères? Peut-on formuler une nouvelle définition de l'élémentarité? C'est leur comportement relatif aux interactions qui s'exercent entre elles, la manière dont elles réagissent aux forces, qui va nous permettre de les classer. Ainsi, comme Mendeleiev classa les atomes en fonction de leurs propriétés de combinaisons, nous allons dresser un tableau des particules suivant leurs propriétés d'interaction. famille 3 t b t b t- t+ nt nt 3 charges de couleur possible pour les quarks A chaque particule est associée une anti-particule Nombre de particules : 48 4 8 12 24 3 2

29 Le Modèle Standard Des particules élémentaires… mais pas constituantes ! Toutes les particules ne sont pas égales vis-à-vis des interactions… … classement des particules élémentaires selon leurs propriétés d’interaction

30 4 interactions Gravitation
Électromagnétique: atome (charge électrique) Forte: cohésion du noyau (quarks) Faible: désintégration n en p PET, 14C, énergie des étoiles (combustion H en He)

31 L’échange d’une particule messagère est responsable de la force
L’échange du ballon génère une force répulsive

32 photon g 8 gluons g quarks leptons up down électron neutrino charme
charge électrique charge de couleur photon g 8 gluons g quarks leptons up down électron neutrino u d e- ne 10 20 1 charme étrange muon c s m- nm 3000 400 210 top beauté tau W+, W-, Z0 t b t- nt 350000 9400 3600 Nombre de particules : 60 49 48 57

33 Quel est ce vide dont nous sommes faits ?
Le vide quantique est peuplé de particules et d’anti-particules dans un état virtuel et fluctuant de façon chaotique et spontanée. Il est constitué d’une infinité d’états virtuels qu’une simple excitation peut révéler

34 Quel est ce vide dont nous sommes faits ?
Ce vide, vibrant de créations et de destructions continuelles, contiendrait ainsi la potentialité de toutes les formes existantes de notre univers. Le vide quantique est ainsi l’état latent de la réalité. Et la matière, sous l’œil attentif de l’observateur, en est l’état manifesté.

35 Est-ce que les particules de force et les particules de matière sont 2 représentations d’une particule plus élémentaire encore ?

36 Pourquoi 4 interactions ?
électromagnétique = électrique + magnétique (Maxwell, 1862) forte faible EM gravitation

37 Pourquoi 4 interactions ?
Électrofaible = electromagnétique + faible (Weinberg, Salam, 1967) forte faible électrofaible EM gravitation

38 Pourquoi 4 interactions ?
Electronucléaire = électrofaible + forte (grande unification?) forte électroforte faible électrofaible EM gravitation

39 Pourquoi 4 interactions ?
superforce = électroforte + gravitation (théorie du tout ??) forte électroforte faible électrofaible EM superforce gravitation

40 température de l’univers (0K)
forte électroforte faible électrofaible EM superforce gravitation température de l’univers (0K) 3 1015 1027 1032 age de l’univers (s) 13,7×109 années 10-12 10-35 10-43

41 Quelle est la place de la matière dans l’Univers ?

42 Particules élémentaires 0,2%
Atomes, étoiles, gaz diffus 4% Matière sombre exotique (neutrinos, neutralinos,…) 30% Énergie sombre (énergie du vide,…) 66% Nous ignorons le pourquoi et le comment pour 4% de l’Univers Nous ne savons même pas de quoi sont faits les 96% restants

43 Remontons aux origines…

44 Le Big Bang est à l’origine de notre univers
Temps, espace et matière sont créés à partir de l’énergie du vide !

45 Le Big Bang est à l’origine de notre univers
Temps, espace et matière sont créés à partir de l’énergie du vide !

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47 Progresser dans notre connaissance de l’infiniment petit…
Masse des particules élémentaires ? La structure du vide ? Y-a –t-il plus élémentaires que quarks, leptons et particules messagères des forces ? Une seule force à l’origine de toutes les autres ? Le nombre de dimensions de l’univers ? Les quarks prisonniers à jamais dans les protons et neutrons ? Comment ? Pourquoi ? La disparition de l’antimatière ? Pour mieux comprendre l’infiniment grand… Que sommes nous, d’où venons nous et où allons nous ?

48 Comment? En se rapprochant des conditions du Big Bang
Concentrer de l’énergie pour créer de nouvelles particules E = mc2 Chauffer la matière dans le noyau atomique pour recréer de la matière primordiale Grâce aux accélérateurs de particules

49 Mini Bang(s) 1. Les noyaux accélérés vont subir une collision frontale
2. L’énergie de la collision se matérialise sous forme de quarks et gluons 3. Les quarks et gluons interagissent sous l’effet de l’interaction forte: la matière tend vers l’équilibre 4. Le système de dilue et se refroidit 5. Quarks et gluons condensent pour former des hadrons

50 Aéroport de Genève

51 LHC: 27 km de circonférence des particules à la vitesse de la lumière
8000 collisions … par seconde détecter particules à chaque collision identifier les événements intéressants en moins d’un dix millième de seconde enregistrer l’équivalent d’une encyclopédie toutes les 3 secondes analyser l’équivalent d’une pile de CD de 5km

52 Le CERN “… un organisme qui pourrait être doté de ressources supérieures à celles des laboratoires nationaux, et pourrait, en conséquence, entreprendre des projets … au-delà de leurs possibilités individuelles…” (Louis de Broglie, Lausanne, 1949) 29 septembre 1954, les représentants des 12 Etats fondateurs du CERN ratifiaient la Convention de l'Organisation. Le CERN: Prototype de Collaboration Européenne.

53 La méthode 1) Produire des faisceaux de particules de haute énergie (accélérateur)

54 La méthode 2) Produire des collisions des particules

55 La méthode 3) Identifier les particules créées avec des Détecteurs

56 La méthode 3) Prendre des données et les analyser

57 Le défi pour ALICE Observer un phénomène extrêmement bref (10-23 s)
Qui dure dans une seule seconde autant qu’un éclair dans les 13,7 milliards d’années écoulées de puis le Big Bang Crée une température plus de fois celle régnant au cœur du soleil (15 millions de degrés) Compacte la matière de façon telle que la pyramide de Kheops teindrait dans une grosse tête d’épingle.

58 Ce à quoi il faut s’attendre avec ALICE
Une collision : 5.5 TeV particules

59 Observer le phénomène Juste pour rire …
Imaginons une planète gelée où l’eau n’existe qu’à l’état de glace ; La glace n’est présente que sous forme quantifiée : les glaçons ; Des théoriciens soutiennent que la glace peut exister, dans certaines conditions de température, sous forme liquide ; La seule façon de chauffer la glace est d’écraser les glaçons les uns contre les autres ; Les expérimentateurs fabriquent donc deux gros paquets de glaçons contenant chacun 100 millions de glaçons ; Ils frappent ces paquets l’un contre l’autre 1 million de fois par seconde ; Ils arrivent ainsi à réaliser chaque seconde collisions glaçon-glaçon ; L’observateur qui est chargé de raconter ce qui se passe est installé sur autre planète éloignée autant que Mars l’est de la Terre … En divisant les dimensions par un facteur 1013, nous devenons l’observateur du LHC.

60 1000 physiciens, ingénieurs, étudiants et techniciens de 90 Instituts de 30 pays différents
15 années d’études et de construction et 10 années d’exploitation 16 m de haut, 26 m de long, tonnes*, 100 millions d’Euros Une technologie de pointe avec de nombreuses retombées (micro électronique, médecine, sciences de l’information,…)

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62 1000 physiciens, ingénieurs, étudiants et techniciens de 90 Instituts de 30 pays différents
15 années d’études et de construction et 10 années d’exploitation 16 m de haut, 26 m de long, tonnes*, 100 millions d’Euros Une technologie de pointe avec de nombreuses retombées (micro électronique, médecine, sciences de l’information,…)

63 et pour conclure… La science est une partie importante du patrimoine (culturel) de l’humanité. Pour un grand nombre de problèmes que la société va devoir résoudre dans un futur assez proche, elle devra faire appel à la science : Problème de l’énergie et faire en sorte que le planète reste habitable Disponibilité de l’eau, de la nourriture, de l’éducation, etc. Lutte contre les maladies, etc. Toutefois, comme le disait Robert Oppenheimer, si c’est au scientifique de découvrir les lois de la Nature, ce n’est pas à lui de décider de la politique à suivre. La science représente l’une des plus nobles et ambitieuses entreprises de l’être humain, qui en essayant de découvrir la nature de l’Univers dans lequel il vit et dont il fait partie, essaie en fait de se découvrir lui-même et de comprendre son rôle dans ce monde extrêmement déconcertant.

64 De la difficulté de faire des prévisions
Prétendre que la transformation de ces atomes puisse résulter en une source d'énergie n'est que fadaise Lord Rutherford, 1933 Il est impossible que des machines plus lourdes que l'air puissent voler Lord Kelvin, 1895 Tout ce qui peut être inventé a déjà été inventé C. Duell, Commissaire, Bureau des Brevets Américains, 1899 Je pense qu'il y a un marché pour peut-être cinq ordinateurs dans le monde Thomas Watson, Président d'IBM, 1943 Il n'y a aucune raison pour qu'un particulier ait un ordinateur à la maison Ken Olsen, Président et Fondateur de Digital Equipment Corp., 1977