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

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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 Lorigine et la structure ultime de la matière Manipuler linfiniment petit pour comprendre linfiniment grand

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

12 Nous sommes faits de vide La majeur partie du corps humain est composée d'eau. Latome: électron et noyau 0, mètre La tome de Savoie 0,1 mètre H OO

13 Si on grossissait mille milliards de fois un atome d'hydrogène: Latome occuperait un volume de 100m de diamètre 50m Le noyau aurait une taille de 1mm et une masse de 1,7 millions de tonnes ! 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 lUnivers: proton: neutron: 75% H 25% He

16 Nous sommes nés de poussières Les éléments plus lourds ont été synthétisés au cœur des étoiles … Et ont été dispersés dans lespace lors de lexplosion des étoiles.

17 Latome : mètres Le noyau : mètres

18 Latome : mètres Le noyau : mètres Les protons et les neutrons mètres

19 Latome : mètres Le noyau : mètres Les quarks: structure ultime de la matière ? mètres Les protons et les neutrons mètres

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

21 A la poursuite des constituants élémentaires … des objets simples et sans structure sous jacente Lintuition 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 Platon, Aristote: la pensée dominante eau état liquide feu chaleur terre état solide air état gazeux

23 A la poursuite des constituants élémentaires … le temps des alchimistes éléments de contrôle (sel, soufre, mercure) et métaux eau état liquide feu chaleur terre état solide air état gazeux

24 A la poursuite des constituants élémentaires … le temps des chimistes XVIII siècle: Les chimistes (Boyle, Cavendish, Lavoisier) et la renaissance de lhypothèse atomique (Dalton): leau, lair, le sel sont composites Leau n'est pas un élément, mais est décomposable en éléments

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

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 Nombre de constituants élémentaires terre, air, feu, eau soufre, sel, mercure éléments chimiques électron, proton particules subatomiques quarks et leptons

28 Le Modèle Standard e-e- e Nombre de particules : quarks up downélectron neutrino leptons famille charmeétrange top beauté 8 - muon - tau famille 2 famille 3 12 ud cs tb 24 udcstb e+e+ e charges de couleur possible pour les quarks A chaque particule est associée une anti- particule

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 dinteraction

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

31 Léchange dune particule messagère est responsable de la force Léchange du ballon génère une force répulsive

32 e-e- e quarks up downélectron neutrino leptons charmeétrange top beauté - muon - tau ud cs tb charge électrique photon Nombre de particules : 4849 charge de couleur 8 gluons g 57 W +, W -, Z 0 60

33 Quel est ce vide dont nous sommes faits ? Le vide quantique est peuplé de particules et danti-particules dans un état virtuel et fluctuant de façon chaotique et spontanée. Il est constitué dune infinité détats virtuels quune 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 létat latent de la réalité. Et la matière, sous lœil attentif de lobservateur, en est létat manifesté.

35 Est-ce que les particules de force et les particules de matière sont 2 représentations dune 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 EM gravitation électrofaible

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

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

40 forte faible EM gravitation électrofaible électroforte superforce température de lunivers ( 0 K) age de lunivers (s) 13,7×10 9 années

41 Quelle est la place de la matière dans lUnivers ?

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 lUnivers Nous ne savons même pas de quoi sont faits les 96% restants

43 Remontons aux origines…

44 Le Big Bang est à lorigine de notre univers Temps, espace et matière sont créés à partir de lénergie du vide !

45 Le Big Bang est à lorigine de notre univers Temps, espace et matière sont créés à partir de lénergie du vide !

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47 Progresser dans notre connaissance de linfiniment 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 lorigine de toutes les autres ? –Le nombre de dimensions de lunivers ? –Les quarks prisonniers à jamais dans les protons et neutrons ? Comment ? Pourquoi ? –La disparition de lantimatière ? Pour mieux comprendre linfiniment grand… –Que sommes nous, doù venons nous et où allons nous ?

48 Comment? En se rapprochant des conditions du Big Bang Concentrer de lénergie pour créer de nouvelles particules E = mc 2 Chauffer la matière dans le noyau atomique pour recréer de la matière primordiale Grâce aux accélérateurs de particules

49 2. Lénergie de la collision se matérialise sous forme de quarks et gluons 1. Les noyaux accélérés vont subir une collision frontale Mini Bang(s) 3. Les quarks et gluons interagissent sous leffet de linteraction forte: la matière tend vers léquilibre 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 v vv vitesse de la lumière 8000 collisions … par seconde détecter particules à chaque collision identifier les événements intéressants en moins dun d dd dix millième de seconde enregistrer léquivalent dune e ee encyclopédie toutes les secondes analyser léquivalent dune pile de CD de km

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

54 2) Produire des collisions des particules La méthode

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

56 3) Prendre des données et les analyser La méthode

57 Le défi pour ALICE Observer un phénomène extrêmement bref ( s) –Qui dure dans une seule seconde autant quun éclair dans les 13,7 milliards dannées 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 dépingle.

58 Ce à quoi il faut sattendre avec ALICE Une collision : 5.5 TeV particules

59 Observer le phénomène Juste pour rire … –Imaginons une planète gelée où leau nexiste quà létat de glace ; –La glace nest 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 décraser 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 lun contre lautre 1 million de fois par seconde ; –Ils arrivent ainsi à réaliser chaque seconde collisions glaçon- glaçon ; –Lobservateur qui est chargé de raconter ce qui se passe est installé sur autre planète éloignée autant que Mars lest de la Terre … En divisant les dimensions par un facteur 10 13, nous devenons lobservateur du LHC.

60 1000 physiciens, ingénieurs, étudiants et techniciens de 90 Instituts de 30 pays différents 1515 années détudes et de construction et 10 années dexploitation 16 m de haut, 26 m de long, tonnes*, 100 millions dEuros Une technologie de pointe avec de nombreuses retombées (micro électronique, médecine, sciences de linformation,…)

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62 1000 physiciens, ingénieurs, étudiants et techniciens de 90 Instituts de 30 pays différents 1515 années détudes et de construction et 10 années dexploitation 16 m de haut, 26 m de long, tonnes*, 100 millions dEuros Une technologie de pointe avec de nombreuses retombées (micro électronique, médecine, sciences de linformation,…)

63 et pour conclure… La science est une partie importante du patrimoine (culturel) de lhumanité. Pour un grand nombre de problèmes que la société va devoir résoudre dans un futur assez proche, elle devra faire appel à la science : –P–Problème de lénergie et faire en sorte que le planète reste habitable –D–Disponibilité de leau, de la nourriture, de léducation, etc. –L–Lutte contre les maladies, etc. Toutefois, comme le disait Robert Oppenheimer, si cest au scientifique de découvrir les lois de la Nature, ce nest pas à lui de décider de la politique à suivre. La science représente lune des plus nobles et ambitieuses entreprises de lêtre humain, qui en essayant de découvrir la nature de lUnivers 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 Lord Rutherford, 1933 Lord Kelvin, 1895 C. Duell, Commissaire, Bureau des Brevets Américains, 1899 Thomas Watson, Président d'IBM, 1943 Ken Olsen, Président et Fondateur de Digital Equipment Corp., 1977 Il n'y a aucune raison pour qu'un particulier ait un ordinateur à la maison Je pense qu'il y a un marché pour peut-être cinq ordinateurs dans le monde Tout ce qui peut être inventé a déjà été inventé Il est impossible que des machines plus lourdes que l'air puissent voler Prétendre que la transformation de ces atomes puisse résulter en une source d'énergie n'est que fadaise


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