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2005 l'Odyssée de la Matière Gilles Cohen-Tannoudji.

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2 2005 l'Odyssée de la Matière Gilles Cohen-Tannoudji

3 2005 Année mondiale de la physique pour célébrer le centenaire de l'année miraculeuse d'Einstein Einstein, employé au bureau des brevets à Berne

4 2005 l'Odyssée de la Matière3 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 ?

5 2005 l'Odyssée de la Matière4 La situation de la physique en 1905 État abouti du programme de la mécanique rationnelle o Succès de la théorie de la gravitation universelle de Newton o Formulation lagrangienne de la mécanique rationnelle (mécanique analytique) o Synthèse de l'électricité du magnétisme et de l'optique par la théorie de Maxwell o Intégration à la mécanique de l'hypothèse atomique au travers de la théorie cinétique de la matière et de la thermodynamique statistique o Établissement des bases générales de la physique statistique (Gibbs, Einstein, 1902)

6 2005 l'Odyssée de la Matière5 Des problèmes non résolus o Avance du périhélie de Mercure o Effet photoélectrique o Propriétés mystérieuses de l'éther o Molécules inobservables 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

7 2005 l'Odyssée de la Matière6 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)

8 2005 l'Odyssée de la Matière7 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

9 2005 l'Odyssée de la Matière8 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 Lorentz étendue 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

10 2005 l'Odyssée de la Matière9

11 La relativité générale, la gravitation et la cosmologie

12 2005 l'Odyssée de la Matière11 Le principe d'équivalence

13 2005 l'Odyssée de la Matière12 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

14 2005 l'Odyssée de la Matière13

15 2005 l'Odyssée de la Matière14 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

16 2005 l'Odyssée de la Matière15 Le modèle standard de la physique des particules "De Berne au CERN"

17 2005 l'Odyssée de la Matière16 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

18 2005 l'Odyssée de la Matière17 Du mouvement brownien aux nanotechnologies « Un temps viendra peut-être où les atomes enfin directement perçus, seront aussi faciles à observer que le sont aujourdhui les microbes. Lesprit 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 lUnivers. » Jean Parrin Les atomes 1913 Un boulier moléculaire

19 Des quanta de lumière et de la relativité au modèle standard

20 2005 l'Odyssée de la Matière19 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 h, 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

21 2005 l'Odyssée de la Matière20 La dualité champs/particules Théorie quantique et relativiste des champs notions classiques : particules de matière champs dinteraction notions nouvelles : particules dinteraction champs de matière antiparticules

22 2005 l'Odyssée de la Matière21 Les champs quantiques Les particules élémentaires ne sont pas des points matériels. Ce sont des quanta dénergie dune même entité, présente en chaque point de l'espace-temps, un champ quantique. Pour émettre une particule dun type donné, il faut modifier lénergie du champ correspondant. Le vide, état du champ en labsence de quanta, est lespace de tous les possibles.

23 2005 l'Odyssée de la Matière22 Lantimatière 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. Lorsquune particule et son antiparticule se rencontrent, elles sengloutissent dans le vide en émettant des quanta de rayonnement.

24 2005 l'Odyssée de la Matière23 Les particules dinteraction 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 linteraction forte sous la forme de gluons Le champ de linteraction faible sous la forme des bosons intermédiaires W +, W - et Z

25 2005 l'Odyssée de la Matière24 Histoire du Modèle standard

26 2005 l'Odyssée de la Matière25 Les constituants élémentaires

27 2005 l'Odyssée de la Matière26 Les interactions fondamentales

28 2005 l'Odyssée de la Matière27 Des règles strictes pour une théorie prédictive Le modèle standard contient 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 Il dépend dun nombre fini de paramètres fixés par lexpérience Une fois ces paramètres déterminés, toutes les quantités phénoménologiques sont calculables Tous les calculs sont en accord avec lexpérience jusquà une énergie de près de 200GeV

29 La dimension temporelle: une cosmogonie scientifique

30 2005 l'Odyssée de la Matière29 La quête de l'unité Partis à la recherche des pièces du puzzle spatial de la matière, cest la dimension du temps que 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 sagençant selon les quatre interactions Quête de lunité: conception de létat de lunivers où tous les champs de matière et dinteraction se fondraient en un unique superchamp

31 2005 l'Odyssée de la Matière30 Lunivers se diluant et se refroidissant, le superchamp se défait, les champs de matière sindividualisent, 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, … L'histoire de toute chose

32 2005 l'Odyssée de la Matière31 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

33 2005 l'Odyssée de la Matière32 Une nature consonante avec elle-même Lunivers se présente comme un fractal, se modifiant en fonction de lénergie mais en restant auto-similaire « La nature déploie la même splendeur sans limites dans latome ou dans la nébuleuse, et tout moyen nouveau de connaissance la montre plus vaste et diverse, plus féconde, plus imprévue, plus belle, plus riche dinsondable 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

34 2005 l'Odyssée de la Matière33

35 2005 l'Odyssée de la Matière34 Un fourmillement prodigieux de mondes nouveaux

36 2005 l'Odyssée de la Matière35 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

37 2005 l'Odyssée de la Matière36 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

38 2005 l'Odyssée de la Matière37 Deux millions de galaxies

39 2005 l'Odyssée de la Matière38

40 2005 l'Odyssée de la Matière39

41 Les neutrinos

42 2005 l'Odyssée de la Matière41 Les plus fantomatiques des particules 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

43 2005 l'Odyssée de la Matière42

44 2005 l'Odyssée de la Matière43

45 2005 l'Odyssée de la Matière44

46 Les trous noirs

47 2005 l'Odyssée de la Matière46

48 2005 l'Odyssée de la Matière47

49 2005 l'Odyssée de la Matière48 Un trou noir massif au centre de notre Galaxie Le centre de notre Galaxie révélé par le VLT de l'ESO muni du système d'optique adaptative NAOS Europhysics News 35/5/2004

50 Une nouvelle sagesse

51 2005 l'Odyssée de la Matière50 La science moderne, en éclairant les techniques s'est faite humblement utilitaire, - ne songeons pas à nous en plaindre. Dans chaque esprit, comme un élément nécessaire à son équilibre, se trouve comprise une hypothèse cosmogonique. Et cependant la portée d'une hypothèse cosmogonique dépasse d'une manière incommensurable la sphère de l'utile immédiat et touche à la nécessité Préface du livre de Georges Lemaître: l'hypothèse de l'atome primitif, Ferdinand Gonseth

52 2005 l'Odyssée de la Matière51 Les décideurs auront-ils la sagesse de continuer à soutenir l'effort de recherche fondamentale ?


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