La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

Introduction à lhistoire et à lépistémologie de la physique Lectures –physique générale –histoire de la physique –regards de grands physiciens –romans.

Présentations similaires


Présentation au sujet: "Introduction à lhistoire et à lépistémologie de la physique Lectures –physique générale –histoire de la physique –regards de grands physiciens –romans."— Transcription de la présentation:

1 Introduction à lhistoire et à lépistémologie de la physique Lectures –physique générale –histoire de la physique –regards de grands physiciens –romans scientifiques La mécanique de Newton et Galilée Quest ce que la lumière ? La révolution relativiste La révolution quantique D.Flick, INAPG 2006

2 Archimède avant JC observation / expériences induction loi générale : « Tout corps … » déduction prévisions (parfois explication) Eureka, Quon me donne un point dappui et je soulèverai le monde

3 Archimède 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 lon 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 sarrête pas avec laction : principe dinertie

6 Galilée Copernic >Ptolémé

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

8

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

11 Johannes Keppler t T 2 R 3 à la suite de Tycho Brahé, excentricité de Mars Il fallut certainement presque autant defforts pour dégager les trois lois de Keppler du reste de ses écrits quil nen aurait coûté pour refaire leur découverte. Bernard Cohen

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

13 Newton 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 m grave a = m inerte g, arc en ciel (Goethe), télescope

14 Confirmations expérimentales Perturbations de lorbite dUranus découverte de Neptune par Urbain le Verrier 1845 Perturbations de lorbite de Neptune découverte de Pluton par Clyde Tombaugh 1930 Haley annonce en 1705 le retour de la comète qui porte son nom en décembre 1758 (ce qui se réalise effectivement) relations de Newtons mises en forme par le français Pierre Varignon Leonhard Euler (e i =-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 g / vérification m grave a = m inerte g à près

16 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 dextérieur [qui] coule uniformément espace sans relation aux choses extérieures [qui] demeure toujours similaire et immobile

17 périhélie de mercure

18 Déterminisme Nous devons envisager létat présent de lUnivers comme leffet de son état antérieur et comme la cause de létat 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 lUnivers et ceux du plus léger atome; rien ne serait incertain pour elle et lavenir comme le passé serait présent à ses yeux. Pierre Simon de Laplace Il fonde la société dArcueil 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, lélectricité et le magnétisme A Bonaparte qui lui reproche de ne pas citer Dieu dans son traité de mécanique céleste: Sire, je nai pas eu besoin de cette hypothèse

19 Claude Bernard La loi nous donne le rapport numérique de leffet à la cause, et cest le but auquel sarrête la science. Lorsquon possède la loi dun 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 quon 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 quelles ont lieu au dedans ou au dehors de lorganisme …. Il n y a quune espèce dagent calorifique; quil soit engendré dans un foyer ou dans un organisme, il nen 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. Déterminisme

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

21 Claude Bernard Il faut dire comme Newton, a propos de lattraction : « Les corps tombent daprès 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 lesprit, que le corps les tombent comme sil y avait une force dattraction qui les sollicite vers le centre de la Terre, quasi esset attractio. Mais la force dattraction nexiste 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 cest là la seule chose quil puisse étudier et connaître. Comprendre lunivers et le vivant ?

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

23 Quest 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…Dautres physiciens pensent que la chaleur nest que le résultat des mouvements insensible des molécules de la matière Laplace et Lavoisier 1780 phlogistique

24 Sadi Carnot James-P Joule Rudolf Clausius puissance motrice du feu on peut comparer la puissance motrice de la chaleur à celle dune chute deau : toutes deux ont un maximum que lon ne peut dépasser Carnot travail chaleur 1 er et 2 ème principes 2nd principe énoncé avant le 1er Marie François Sadi Carnot Pdt Republique 1887 / =transformation mort de lUnivers ? / vie et 2nd principe : le hasard et la nec. J.Monod

25 James C. Maxwell Ludwig Boltzmann L.Bolzmann microscopique réversible macroscopique irréversible théorie cinétique des gaz : 1859 entropie statistique : 1877 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 lon renverse précisément le mouvement de chaque particule au même instant, alors tout se déroulera à lenvers jusquau début des choses…les hommes verront leurs amis passer de la tombe au berceau…Je ne crois pas quun tel exploit soit nécessaire pour renverser le 2nd principe… Mettons un gaz dans un récipient…Engageons un portier…à chaque fois quil 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 dun compartiment sans aucune dépense dénergie.

28 Objections au deuxième principe Deux objections avaient entraîné la défaite de Boltzmann : celle du retour et celle de linversion. Théorème de récurrence de Poincaré > tout système dynamique finira toujours (après le temps de Poincaré) par repasser aussi près que lon veut de sa position initiale Si nous inversons les vitesses, le système va parcourir en sens inverse la trajectoire qui la menée à létat ou linversion a été effectuée. Dans les deux cas, la situation initiale nappartient donc pas seulement à un passé irréversiblement disparu, mais aussi à un avenir possible. Lirréversibilité nest donc quapparence …?... 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) Lexistence pour les systèmes chaotiques dun 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 lhorizon temporel, à un moment où la notion de trajectoire individuelle a depuis longtemps perdu son sens.

32 Quest ce que la lumière ? Newton Laplace corpuscules v air v eau > v air Euclide pensait que la lumière était émise par lœil / pourtant Newton a mis en évidence des phénomènes dinterférence: anneaux de Newton

33 Quest ce que la lumière ? Huygens, Hooke Fresnel, Euler ondes v air v eau < v air Huygens (croisement de 2 faisceaux sans interaction: traité de la lumière 1677) / DAlembert eq des ondes 1747 Hooke (élasticité des corps solides capables de transmettre des ondes, introduit le mot cellule en biologie) Euler : la lumière nest autre chose quune agitation causée par les particules de léther ( couleur <> longueur donde) v= eau < air v eau < v air

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

35 Thomas Young La lumière est une onde 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 lacadémie met au concours etude exp. et théorique de la diffraction Fresnel soumet un mémoire. Poisson, défenseur de Newton,prédit un effet a priori absurde daprès la théorie de Fresnel (le milieu de lombre dun disque est éclairé !). Fresnel fait lexpérience qui confirme en fait sa théorie (le milieu de lombre est bien eclairé) docteur en médecine

36 Détermination de la vitesse de la lumière Olaus Römer James Bradley Aberration stellaire : J.Bradley 1727 c = m/s Immersion- émersion dun satellite de Jupiter O.Römer 1677 horloge tendance à avancer tendance à retarder (14min) c est fini Sept : Römer annonce à l acad. sc. Io va emergé avec 10 min de retard sur lhoraire prévue (9nov à 5h25,45s), explication le 21 nov. À l acad.

37 Hippolyte Fizeau Léon Foucault 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) mire transparente miroir tournant

38 expériences décisives sur la nature de la lumière c eau.fixe = c/n < c vide c eau.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 Alexandro Volta Charles Coulomb Hans Christian Oersted André-M Ampère Michael Faraday collection de lois empiriques sur lélectricité 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 quil existe une électricité animale ! Luigi Galvani (prof. danatomie)

40 électricité magnétisme 1820 magnétisme électricité 1831 notion de champs : action de proche en proche malheureux Colladon

41 Dialogue : expérience / lois / théorie Faraday exp sans aucune formule, école primaire, relieur à 13 ans, cours du soir libres à la royale society, assistant de Davy invente aussi linox, le moteur électrique, la liquéfaction des gaz, lélectrolyse F=96500 C/mole. Mon ignorance des mathématiques est un obstacles à des échanges … du plus grand intérêt. Lorsquun mathématicien, engagé dans létude dactions physiques, est arrivé à ses conclusions, celles-ci ne peuvent-elles pas sexprimer 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 sil est aisé den parler, il est difficile de sen faire une idée claire Faraday (à Ampère et Maxwell) En commençant létude sur lélectricité, je résolus de ne lire aucun travail avant de posséder à fond les recherches expérimentales de Faraday Maxwell

42 James C. Maxwell Hendrick Lorentz équations de champ unifiant lélectromagnétisme 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 dinférer que la lumière nest 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 lélectromagnétisme 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 lair quel est le support pour la lumière ? léther sans vent avec vent Léther doit être fixe car cela explique laberration et leffet 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 déther

47 vent déther ? 30 km/s << km/s Rotation de la Terre sur elle même : 0,5 km/s

48 vent déther ?

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 Le vent déther est nul support de grès sur bain de mercure : < 1cm/s

53 Réfutabilité : Karl Popper une seule expérience en contradiction avec la théorie (ondulatoire) suffit à la réfuter inversement une théorie qui nest qui nest réfutable par aucun événement qui se puisse concevoir est dépourvue de caractère scientifique causalité: la cause dun phénomène ne peut peut être quun autre phénomène non transcendant lopium fait dormir car il a une vertu dormitive / lorage éclate à cause de la colère de Dieu (non réfutable)

54 Hendrick Lorentz Henri Poincaré 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 navait été compris (Milne-Edwards) Peu importe que léther existe réellement : cest laffaire des métaphysiciens 1902 Il ny a pas despace absolu et nous ne concevons que des mouvements relatifs 1902 Il ny a pas de temps absolu : dire que deux durées sont égales, cest une assertion qui na en elle-même aucun sens… Nous navons pas lintuition 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 linertie augmenterait avec la vitesse. La vitesse de la lumière deviendrait alors une limite impossible à dépasser 1904 H.Poincaré Ce qui est nouveau …cest… que la portée de la transformation de Lorentz dépassait sa connexion avec les équations de Maxwell et mettait en cause la nature de lespace 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 dune définition telle de la simultanéité quelle 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 nest pas satisfaite je suis en tant que physicien (et aussi comme non physicien) victime dune illusion si je crois pouvoir attacher un sens à laffirmation de la simultanéité (si vous ne maccorder pas cela avec conviction, il est inutile de continuer). Heisenberg: Einstein est parti à juste titre de cette constatation banale : le temps, cest ce que lon 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 nobtient le prix Nobel quen 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 lélectro-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 Léther 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 dun espace non euclidien modifié par les masses ou accélérations en présence dun forte gravité ou accélération il nest pas possible de remplir lespace 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 dun cercle en rotation (contraction des longueurs tang. mais pas radial) > 3.14 ! Si vous vous plaignez davoir des pbs math que diriez vous si vous aviez les miens

59 Confirmations expérimentales durée de vie des mésons mobiles > durée de vie dun méson au repos écarts de longueur donde des raies datome dhydrogène 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 ? : jen aurais été navré pour Dieu car la théorie est exacte. A. Einstein explique lavance 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 : cétait un des êtres les plus intelligents que jai 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. Sil avait vraiment compris comment la théorie de la relativité générale explique léquivalence 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 lespace 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 mais si v<

61 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 dassocier à lidée de simultanéité lexpérience qui doit prouver la simultanéité de deux événements; cest de cette exigence inouïe quest 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 science normale en progrès continu et révolution scientifique Kelvin suite: tout ce quelle peut maintenant apporter cest la détermination de qcq décimales suppl Il y a bien deux petits pbs: celui du résultats négatifs de lexp de Michelson et celui du corps noir, mais ils seront rapidement résolus et naltèrent en rien notre confiance.

62 Joseph Thomson Jean Perrin Ernest Rutherford électron - modèle planétaire de latome..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 dhuiles dans un condensateur, chargés de n (entier) délectrons) Jean Perrin : 13 façons destimer le nbr d Avogadro dont une d après le mouvement brownien des grains de pollen (avec Einstein) Rutherford : cétait 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.. labandonner au profit de lhyp. dune matière continue He++=ray alpha feuille dor 10µm

63 Rayonnement du corps noir 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 : daprès la loi de Boltzmann sur la probabilité (pour un oscillateur) dêtre à un niveau d énergie donné : plus la fréquence est élevée plus lémission est importante : la somme de lénergie émise tend vers linfini. Idée de Planck les niveaux dénergie ne peuvent prendre que certaines valeurs discrètes (fonction de la fréquence). Il sarrange pour arriver à sa loi empirique (il voulait au départ montrer que linteraction rayonnement matière était à l origine de lirréversibilité) A son fils aujourdhui jai fait une découverte aussi importante que celle de Newton / vie familiale remplie de drames. énergie 6000 K (soleil) 3000 K (lampe à tungstène) fréquence

64 Effet photo-électrique Indépendamment du flux lumineux, si celui ci augmente cest le nombre délectrons émis qui augmente Idée dEnstein les grains de lumière doivent avoir une énergie suffisante pour arracher lélectron, le surplus d énergie devient de lénergie cinétique (il ne découvre les travaux de Planck quen 1906) énergie cinétique des électrons fréquence de la lumière

65 Max Planck Albert Einstein loi empirique du rayonnement du corps noir interprété à laide de quanta dénergies : E=h (1900) - interprétation corpusculaire de la lumière : le photon est grain de lumière (effet photoélectrique 1905) Acceptation dune double interprétation dun 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 dabord un artifice de calcul (même sil comprend profondément le 2nd principe) et ne sappliquent quaux 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 limportance du quantum daction 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 leffet Compton 1923 explique leffet thermoélectrique photon électron

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

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

69 Confirmation expérimentale 1927 diffraction des électrons puis expérience dinterférence avec des électrons

70 Interférences obtenues avec des électrons

71 Erwin Schrödinger Werner Heisenberg Postulats de la mécanique ondulatoire (1926) (physique quantique hors rayonnement) 1925 Heisenberg (mécanique des matrices) 1926 Dirac (q nombres) 1926 (fct donde) : non unicité des représentation cf mécanique Newton / Lagrange / Hammilton

72 particule fonction donde évolution de la fonction donde : équation déterministe de Schrödinger fonction donde probabilité position (x) probabilité impulsion (p x ) relation dincertitude de Heisenberg x p x h/4 proba de présence = carré de la fonction donde (qui peut être <0 ou complexe) le principe dincertitude ne permet pas au démon de Maxwell dopérer les électrons nont pas véritablement de trajectoire dans latome Feynman : rel.dincertitude : il est impossible dimaginer un appareil,quel quil soit, permettant de déterminer le trou emprunté par lélectron sans en même temps perturber lélectron suffisamment pour détruire la figure dinterférence.

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

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 lénergie, de la charge, des moment cinétiques et magn.…)

75

76 Bohr / Einstein Certains physiciens, parmi lesquels je me trouve moi même, ne peuvent pas croire que nous devions abandonner, réellement et pour toujours, lidée dune représentation directe de la réalité physique dans lespace 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 dune 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 lon peut dire sur elle.N.Bohr Le résultat dune seule expérience nest 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 lobservation, le lecteur la sans doute appréhendée le jour ou il sest demandé si lampoule 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 nest pas à nous de lui prescrire comment gouverner le monde Ehrenfest: Einstein, jai 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 nest pas notre ignorance des rouages internes, des complications internes, qui entraîne lapparition des probabilités dans la nature. Il semble que ce soit intrinsèque: la nature elle- même ne sait pas par quel trou est passé lélectron. La vrai force de lesprit se mesure au degré dincertitude quil est capable de supporter. Nietzche

77 Paradoxe EPR (Einstein, Podolsky, Rosen) Incomplétude ? Modification instantanée à distance ? Expérience dAlain Aspect 1982 A B détection en A immédiatement à distance réduction du paquet donde détection en B

78 impossibilité dune théorie déterministe à variable locale (John Bell) théorie avec amplitude de probabilité action instantanée à distance (mais sans transmission instantanée dinformation) théorie de londe pilote (De Broglie … David Bohm) particule surfant sur londe

79

80 Vers la grande unification ? Théorie quantique des champs | mécanique quantique relativiste (nécessité dutiliser 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 lélectrodynamique 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 Jai limpression de navoir été quun enfant qui joue sur la plage et se divertit en trouvant ça et là un coquillage plus joli quà lordinaire, 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 quil employa pour mettre de lordre dans la matière expérimentale semblaient découler spontanément de lexpérience elle-même, de belles expériences quil 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 lénergie invariance par translation conservation de limpulsion 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 lexpérience de Stern et Gerlach quantification, superposition et probabilités

85 Source : Pour la science

86

87

88

89 Paradoxe EPR (Einstein, Podolsky, Rosen) Incomplétude ? Modification instantanée à distance ? Expérience dAlain Aspect 1982 A B détection en A immédiatement à distance réduction du paquet donde détection en B

90 1 ère interprétation lorientation est quelconque et fixée au départ mais elle est inconnue A Probabilité de détection = cos²( ) nexplique pas la concordance à 100% entre A et B

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

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

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

94 3 ème interprétation lorientation est quelconque et fixée au départ mais elle est inconnue A B nexplique pas la concordance à 85% lorsquun filtre est tourné de 22.5° 75%

95 4 ème interprétation : la bonne létat initial est la superposition des orientations horizontales et verticales A B

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


Télécharger ppt "Introduction à lhistoire et à lépistémologie de la physique Lectures –physique générale –histoire de la physique –regards de grands physiciens –romans."

Présentations similaires


Annonces Google