gc t lyon-13-12-2016

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Science

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  • Relativit et quanta, une nouvelle rvolution scientifique

    Marseille 09/12/2016

    Gilles Cohen-Tannoudji

    Laboratoire de recherche sur les sciences de la matire (LARSIM CEA Saclay)

    www.gicotan.fr

    http://www.gicotan.fr/

  • Relativit et quanta, une nouvelle revolution scientifique

    Une nouvelle apoge de la physique

    Le dpassement du modle cosmologique du Big Bang

    Le boson BEH

    Le lieu de la rconciliation, le vide quantique?

    13/12/2016Relativit et quanta, une nouvelle

    rvolution scientifique...2

  • c, e

    Thorie lectromagntique de la

    lumire (Maxwell)

    G

    Thorie de la graviation universelle

    (Galile, Newton)

    Mcanique analytique et statistique (Lagrange, Boltzmann, Maxwell)

    k

    Effet photo lectrique, rayonnement du corps noir

    ?

    ?

    ?

    Problme de lther

    Precession du prihlie de Mercure

    Lapoge de la physique classique13/12/2016

    Relativit et quanta, une nouvelle rvolution scientifique...

    3

  • h c

    Thorie quantique des

    champs

    G c

    Relativit gnrale

    Statistiques quantiques (Bose-Einstein, Fermi-

    Dirac)

    h k

    ?

    ?

    Modle standard de la physique des particules

    Modle standard de la cosmologie (Big Bang)

    Physique au-del des modles standards

    Gravit quantique

    Lapoge actuelle13/12/2016

    Relativit et quanta, une nouvelle rvolution scientifique...

    4

  • 13/12/2016Relativit et quanta, une nouvelle

    rvolution scientifique...

    Dates Cadre thorique Gravitation lectro

    magntisme

    Interaction

    faible

    Interaction

    forte

    17me

    sicle

    Galile, Newton Newton

    19me

    sicle

    Mcanique

    analytique,

    thermodynamique

    statistique

    Maxwell

    1895-

    1898

    Rayons X, lectron, radioactivit

    1900-

    1930

    Mcanique

    quantique

    1905-

    1915

    Relativit Einstein

    1930-

    1970

    Thorie quantique

    des champs

    Big bang QED Fermi Yukawa

    1970-

    2012

    Thories de jauge CDM Thorie lectrofaible de

    Glashow, Salam, Weinberg et

    Brout, Englert et Higgs

    QCD

    2012- Dcohrence,

    thorie quantique

    de linformation,

    Holographie

    Grande unification? Supersymtrie ? Matire

    sombre ?Inflation ?Gravitation quantique ?

    Une brve histoire des modles standards de la physique des particules et de la cosmologie

    5

  • Relativit et quanta, une nouvelle revolution scientifique

    Une nouvelle apoge de la physique

    Le dpassement du modle cosmologique du Big Bang

    Le boson BEH

    Le lieu de la rconciliation, le vide quantique?

    13/12/2016Relativit et quanta, une nouvelle

    rvolution scientifique...6

  • 13/12/2016Relativit et quanta, une nouvelle

    rvolution scientifique...7

    Courbure de lespace-temps Constante cosmologique

    Tenseur nergie de la matire

    La matire dicte lespace-temps comment il doit se courber: lespace temps dicte la matire comment elle doit se mouvoir

    Linconnue: le champ de mtrique de lespace-tempsLquation dEinstein

    1( ) ( ) ( ) ( )

    2R x g x R g x T x

    Constante de proportionnalit:

    2/G c

  • 13/12/2016Relativit et quanta, une nouvelle

    rvolution scientifique...8

    Ondes gravitationnelles : une hypothse majeure dEinstein confirme (fvrier 2016)

  • 13/12/2016Relativit et quanta, une nouvelle

    rvolution scientifique...9

    Parvenu son quation, Einstein en fit le commentaire suivant : La thorie vite tous les dfauts que nous avons reprochs aux fondements de la mcanique classique. Elle est suffisante, autant que nous sachions, pour la reprsentation des faits observs de la mcanique cleste. Mais elle ressemble un difice dont une aile est btie de marbre fin (premier membre de lquation) et lautre de bois de qualit infrieure (second membre de lquation). La reprsentation phnomnologique de la matire ne supple, en ralit, que trs imparfaitement une reprsentation qui correspondrait toutes les proprits connues de la matire .

  • 13/12/2016 10

    Si lon veut viter cette difficult, il faut fonder la thorie sur les

    champs et les lois de champ, au lieu de la fonder sur les forces

    dinteraction. Ceci nous amne appliquer les mthodes statistiques de

    la thorie des quanta aux champs, cest--dire des systmes une

    infinit de degrs de libert. Bien que les thories faites jusqu prsent

    se soient limites aux quations linaires qui, comme nous le savons

    par les rsultats de la relativit gnrale, sont insuffisantes, les

    complications que ces trs ingnieuses tentatives ont rencontres

    jusqu prsent sont dj terrifiantes. Elles slveront certainement

    jusqu la hauteur du ciel, si lon veut satisfaire aux exigences de la

    thorie de la relativit gnrale, dont le bien-fond fondamental nest

    mis en doute par personne.

    Relativit et quanta, une nouvelle rvolution scientifique...

    A. Einstein, La physique et la ralit Franklin Institute Journal, vol. 221, n 3, mars 1936,

  • Le modle cosmologique du big bang

    Le modle simple du big bang (Lematre, Friedman, Robertson, Walker)

    Rcession des galaxies lointaines, loi de Hubble

    Abondance relative des lments lger (nuclosynthse primordiale)

    Rayonnement diffus de fond cosmologique (RDFC) environ 3 degrs Kelvin, dtect en 1965

    Constante cosmologique mise zro

    Les difficults du modle du big bang

    Trop grande homognit du RDFC (problme dhorizon)

    Problme de la platitude spatiale de lunivers (problme dajustement fin)

    Scnario de linflation imagin pour lever ces difficults

    13/12/2016Relativit et quanta, une nouvelle

    rvolution scientifique...11

  • 13/12/2016Relativit et quanta, une nouvelle

    rvolution scientifique...12

  • 13/12/2016Relativit et quanta, une nouvelle

    rvolution scientifique...13

    Carte du rayonnement diffus de fond cosmologique (Planck 2015)

  • 2.3 Dpassement du modle simple du bigbang

    Importants progrs observationnels au dbut des annes 2000 Dtermination avec une grande prcision de la carte du RDFC (COBE,

    WMAP, bientt Planck) Mesure des distances laide des super novae de type 1A

    Dpassement du modle du big bang Mise en concordance de toutes les donnes observationnelles Dtermination prcise des paramtres fondamentaux de la

    cosmodynamique (ge de lunivers, composantes de la densit dnergie)

    Mise en vidence de composantes non standards invitables de la densit dnergie (matire sombre et nergie sombre)

    Interprtation (selon lhypothse de linflation discute plus bas) des fluctuations observes dans le RDFC comme rsultant de fluctuations intervenues dans lre de la gravitation quantique, et pouvant produire les grandes structures observes dans la distribution des galaxies (filaments, vides, )

    Retour de la constante cosmologique

    13/12/2016Relativit et quanta, une nouvelle

    rvolution scientifique...14

    Georges Fitzgerald Smoot, Prix Nobel 2006

    Saul Perlmutter, Brian Schmidt, Adam Riess, Prix Nobel 2011

  • 13/12/2016Relativit et quanta, une nouvelle

    rvolution scientifique...15

    Mise en concordance des donnes observationnelles

    Les modles alternatifs au big bang (No BigBang) sont compltement exclusCe diagramme reprsente les contributions de la constante cosmologique et de la matire (matire ordinaire+matire sombre) m la densit totale rapporte la densit critique (celle pour laquelle lunivers est spatialement plat), telles quelles sont dtermines (avec leur marges dincertitudes) par diffrentes mthodes:

    Supernovas (SNe, rgion bleue)Oscillations acoustiques baryoniques (BAO, rgion verte)Fond diffus cosmologique (CMB, rgion jaune)La droite + m =1, marque flat reprsente ce quon attend dun univers spatialement plat

    La concordance des diffrentes mthodes valide le nouveau modle standard de la cosmologie

  • Hubble radius L=H-1

    Scale factorPrimeval inflation Expansion Late inflation1

    A B

    C

    D

    E

    L

    Linf

    a w

    10-60LP

    Past event horizon

    Future event horizon

    Big-Bang ignition

    Today

    From radiation to matter dominance

    Color confinementCDM cosmological SM

    HEP standard model

    BSM physics

    G

    EW symmetry breaking

    F

    13/12/2016Relativit et quanta, une nouvelle

    rvolution scientifique...16

  • Relativit et quanta, une nouvelle revolution scientifique

    Une nouvelle apoge de la physique

    Le dpassement du modle cosmologique du Big Bang

    Le boson BEH

    Le lieu de la rconciliation, le vide quantique?

    13/12/2016Relativit et quanta, une nouvelle

    rvolution scientifique...17

  • 13/12/2016Relativit et quanta, une nouvelle

    rvolution scientifique...18

  • Relativit et quanta, une nouvelle revolution scientifique

    Une nouvelle apoge de la physique

    Le dpassement du modle cosmologique du Big Bang

    Le boson BEH

    Le lieu de la rconciliation, le vide quantique?

    13/12/2016Relativit et quanta, une nouvelle

    rvolution scientifique...19

  • 13/12/2016Relativit et quanta, une nouvelle

    rvolution scientifique...20

    Quest-ce que la masse?

    2

    2E

    m

    p nergie cintique

    En mcanique classique, il ny a pas de matire sans masse; il ny a pas dnergie sans mouvement; il ny a pas de limite la vitesse laquelle on peut acclrer une particule

    En mcanique relativiste, il ny a pas de matire