gc t lyon-13-12-2016

Relativité et quanta, une nouvelle révolution scientifique…

Marseille 09/12/2016

Gilles Cohen-Tannoudji

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

www.gicotan.fr

http://www.gicotan.fr/

Relativité et quanta, une nouvelle revolution scientifique…

• Une nouvelle apogée de la physique

• Le dépassement du modèle cosmologique du ‘Big Bang’

• Le boson BEH

• Le lieu de la réconciliation, le vide quantique?

13/12/2016Relativité et quanta, une nouvelle

révolution scientifique...2

c, e

Théorie électromagnétique de la

lumière (Maxwell)

G

Théorie de la graviation universelle

(Galilée, Newton)

Mécanique analytique et statistique (Lagrange, Boltzmann, Maxwell)

k

Effet photo électrique, rayonnement du corps noir

?

?

?

Problème de l’éther

Precession du périhélie de Mercure

L’apogée de la physique classique13/12/2016

Relativité et quanta, une nouvelle révolution scientifique...

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h c

Théorie quantique des

champs

G c

Relativité générale

Statistiques quantiques (Bose-Einstein, Fermi-

Dirac)

h k

?

?

Modèle standard de la physique des particules

Modèle standard de la cosmologie (Big Bang)

Physique au-delà des modèles standards

Gravité quantique

L’apogée actuelle13/12/2016


4


révolution scientifique...

Dates Cadre théorique Gravitation Électro

magnétisme

Interaction

faible

Interaction

forte

17ème

siècle

Galilée, Newton Newton

19ème

siècle

Mécanique

analytique,

thermodynamique

statistique

Maxwell

1895-

1898

Rayons X, électron, radioactivité

1900-

1930

Mécanique

quantique

1905-

1915

Relativité Einstein

1930-

1970

Théorie quantique

des champs

Big bang QED Fermi Yukawa

1970-

2012

Théories de jauge CDM Théorie électrofaible de

Glashow, Salam, Weinberg et

Brout, Englert et Higgs

QCD

2012- … Décohérence,

théorie quantique

de l’information,

Holographie

Grande unification? Supersymétrie ? Matière

sombre ?Inflation ?Gravitation quantique ?

Une brève histoire des modèles standards de la physique des particules et de la cosmologie

5




• Le boson BEH






Courbure de l’espace-temps Constante cosmologique

Tenseur énergie de la matière

La matière dicte à l’espace-temps comment il doit se courber: l’espace temps dicte à la matière comment elle doit se mouvoir

L’inconnue: le champ de métrique de l’espace-tempsL’équation d’Einstein

1( ) ( ) ( ) ( )

2R x g x R g x T x

Constante de proportionnalité:

2/G c



Ondes gravitationnelles : une hypothèse majeure d’Einstein confirmée (février 2016)



Parvenu à son équation, Einstein en fit le commentaire suivant : « La théorie évite tous les défauts que nous avons reprochés aux fondements de la mécanique classique. Elle est suffisante, autant que nous sachions, pour la représentation des faits observés de la mécanique céleste. Mais elle ressemble à un édifice dont une aile est bâtie de marbre fin (premier membre de l’équation) et l’autre de bois de qualité inférieure (second membre de l’équation). La représentation phénoménologique de la matière ne supplée, en réalité, que très imparfaitement une représentation qui correspondrait à toutes les propriétés connues de la matière . »

13/12/2016 10

« Si l’on veut éviter cette difficulté, il faut fonder la théorie sur les

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

d’interaction. Ceci nous amène à appliquer les méthodes statistiques de

la théorie des quanta aux champs, c’est-à-dire à des systèmes à une

infinité de degrés de liberté. Bien que les théories faites jusqu’à présent

se soient limitées aux équations linéaires qui, comme nous le savons

par les résultats de la relativité générale, sont insuffisantes, les

complications que ces très ingénieuses tentatives ont rencontrées

jusqu’à présent sont déjà terrifiantes. Elles s’élèveront certainement

jusqu’à la hauteur du ciel, si l’on veut satisfaire aux exigences de la

théorie de la relativité générale, dont le bien-fondé fondamental n’est

mis en doute par personne. »


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

• Le modèle cosmologique du « big bang »

– Le modèle « simple » du big bang (Lemaître, Friedman, Robertson, Walker)

• Récession des galaxies lointaines, loi de Hubble

• Abondance relative des éléments léger (nucléosynthèse primordiale)

• Rayonnement diffus de fond cosmologique (RDFC) à environ 3 degrés Kelvin, détecté en 1965

• Constante cosmologique mise à zéro

– Les difficultés du modèle du big bang

• Trop grande homogénéité du RDFC (problème d’horizon)

• Problème de la platitude spatiale de l’univers (problème d’ajustement fin)

• Scénario de l’inflation imaginé pour lever ces difficultés





Carte du rayonnement diffus de fond cosmologique (Planck 2015)

2.3 Dépassement du modèle simple du bigbang

– Importants progrès observationnels au début des années 2000• Détermination avec une grande précision de la carte du RDFC (COBE,

WMAP, bientôt Planck)• Mesure des distances à l’aide des super novae de type 1A

– Dépassement du modèle du big bang• Mise en concordance de toutes les données observationnelles• Détermination précise des paramètres fondamentaux de la

cosmodynamique (âge de l’univers, composantes de la densité d’énergie)

• Mise en évidence de composantes non standards inévitables de la densité d’énergie (matière sombre et énergie sombre)

• Interprétation (selon l’hypothèse de l’inflation discutée plus bas) des fluctuations observées dans le RDFC comme résultant de fluctuations intervenues dans l’ère de la gravitation quantique, et pouvant produire les grandes structures observées dans la distribution des galaxies (filaments, vides, …)

• Retour de la constante cosmologique



Georges Fitzgerald Smoot, Prix Nobel 2006

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



Mise en concordance des données observationnelles

•Les modèles alternatifs au big bang (No BigBang) sont complètement exclus•Ce diagramme représente les contributions de la constante cosmologique et de la matière (matière ordinaire+matière sombre) m à la densité totale rapportée à la densité critique (celle pour laquelle l’univers est spatialement plat), telles qu’elles sont déterminées (avec leur marges d’incertitudes) par différentes méthodes:

•Supernovas (SNe, région bleue)•Oscillations acoustiques baryoniques (BAO, région verte)•Fond diffus cosmologique (CMB, région jaune)•La droite + m =1, marquée « flat » représente ce qu’on attend d’un univers spatialement plat

•La concordance des différentes méthodes valide le nouveau modèle standard de la cosmologie

Hubble radius L=H-1

Scale factorPrimeval inflation Expansion Late inflation1

A B

C

D

E

L

Linf

a w

10-60

LP

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






• Le boson BEH






Qu’est-ce que la masse?

2

2E

m

p énergie cinétique

En mécanique classique, il n’y a pas de matière sans masse; il n’y a pas d’énergie sans mouvement; il n’y a pas de limite à la vitesse à laquelle on peut accélérer une particule

En mécanique relativiste, il n’y a pas de matière sans énergie; même au repos, une particule de masse m a une énergie (potentielle) égale à mc2 (c est la vitesse de la lumière); la vitesse de la lumière est indépassable; la masse d’une particule peut être nulle, auquel cas, cette particule se déplace, comme la lumière quelque soit le repère, à la vitesse c

2 2 2 2 4

2

0

2

2

2

0

;

1

;

0

0

v

v v v v

E c m c

E mc

mm

v

c

E m c m

m v c

m E c

p

p

p v

p



Qu’est-ce que le vide en théorie quantique des champs?

• Qu’est-ce qu’un champ quantique?– Un champ relativiste défini en chaque point de

l’espace-temps– Un champ quantique d’opérateurs d’émission ou

d’absorption d’un quantum d’énergie-impulsion (une particule ou une antiparticule)

• Dualité ondes/particules– Ondes dans l’espace-temps– Particules dans l’espace des états du champ définis

par le nombre de quanta d’énergie-impulsion

• Le vide quantique: état fondamental (d’énergie minimum) : état à zéro particule.



• « D'où l'on peut voir qu'il y autant de différence entre le néant et l'espace vide, que de l'espace vide au corps matériel ; et qu'ainsi l'espace vide tient le milieu entre le matière et le néant. C'est pourquoi la maxime d'Aristote dont vous parlez, "que les non-êtres ne sont point différents", s'entend du véritable néant, et non pas de l'espace vide. » Réponse de Blaise Pascal au très révérend père Noël, recteur de la Société de Jésus, à Paris, 29 octobre 1647 Pascal, Oeuvres complètes, La Pléiade, p 384, ed. 1998



• Conséquences des inégalités de Heisenberg– Quand le nombre de particules est bien déterminé,

par exemple dans le vide quantique où ce nombre est nul, l’état spatio-temporel du champ est indéterminé

– Quand l’état spatio-temporel du champ est bien déterminé, par exemple dans un état cohérent tel qu’il est produit avec un laser, le nombre de particules est indéterminé

– Dans l’espace-temps, le vide quantique est assimilable à un milieu complexe, siège de fluctuations du ou des champs quantiques

– Dans le cas où ces fluctuations ne se moyennent pas à zéro, le vide peut être assimilé au milieu « possédant une certaine dissymétrie » (Curie), dans lequel peut naître le phénomène de l’émergence de la masse, c’est ce qui se produit avec le mécanisme BEH



Ces constatations ont amené la Physique quantique contemporaine à devenir de plus en plus consciente du fait que ce que nous nommons le vide n'est pas du tout un milieu dénué de propriétés physiques, mais bien plutôt une sorte d'immense réservoir d'où peuvent émerger au niveau microphysique des unités ou des paires corpusculaires et où aussi ces unités et ces paires disparaissant du niveau microphysique peuvent s'engloutir.

Si cette conception est exacte (et il semble bien aujourd'hui qu'elle le soit), il y aurait trois niveaux de la réalité physique :

- le niveau microphysique ou quantique qui est celui des molécules, des atomes, des noyaux ou plus généralement des particules élémentaires, qui est le domaine propre de la Physique quantique ;

- le niveau macrophysique des phénomènes macroscopiques directement observables à notre échelle qui est le domaine propre de la Physique dite "classique";

- le niveau le plus profond, hypomicrophysique ou subquantique pourrait-on dire, constitué par ce "vide" réservoir immense d'énergie sous-jacente dont nous ignorons encore presque tout. (,,,)

L'expression "substratum universel" (ou une autre de ce genre) serait meilleure. J'emploierai cependant habituellement le mot vide couramment usité, mais vous devez imaginer qu'il doit être mis entre guillemets ("le vide'').

Louis de Broglie, cours à la Sorbonne 1957-1958



Nous ne savons pas si, quand un boson apparaît au niveau microphysique sortant du "vide", il existait déjà dans ce substratum à l'état préformé, ou s'il est "créé" au moment de son apparition. Nous ne savons pas davantage si, quand un boson disparaît du niveau microphysique pour s'engloutir dans le "vide", il subsiste dans ce substratum dans un état indécelable ou s'il est "détruit" au moment de sa disparition.

On est évidemment amené à penser que toute particule, même quand elle nous paraît isolée, est en contact avec un milieu subquantique caché qui constitue une sorte d'invisible thermostat ..... La particule échangerait ainsi continuellement de l'énergie et de la quantité de mouvement avec ce milieu subquantique.

Dès qu'on a admis l'existence d'un "milieu subquantique" caché, on est amené à se demander quelle est la nature de ce milieu. Il a certainement une nature très complexe. En effet, il doit d'abord ne pas pouvoir servir de milieu de référence universel, ce qui serait en opposition avec la théorie de la Relativité. De plus nous verrons qu'il se comporte non pas comme un thermostat unique, mais plutôt comme un ensemble de thermostats dont les températures seraient reliées aux énergies propres des diverses sortes de particules.

Une salle emplie de physiciens bavardant tranquillement est l’analogue d’un espace empli de champ de Higgs

Un scientifique renommé entre dans la salle, créant une perturbation quand il se déplace et attire à chaque pas un groupe d’admirateurs

Ceci accroît la résistance à son mouvement; en d’autres termes, il acquiert une masse tout comme les particules se déplaçant dans le champ de Higgs

Si une rumeur traverse la salleElle provoque le même type attroupement , mais cette fois entre les scientifiques eux-mêmes: un tel attroupement est l’analogue de la particule de Higgs

Mécanisme et boson de Higgs en bande dessinée





Le boson BEH, la clé de voûte du modèle standard



La supposition que cette conception est physiquement tout à fait justifiée estappelée « principe d'équivalence » ; ceci devient manifestement évident par le principe de l'égalité entre la masse inerte et la masse pesante et signifie l'extension du principe de relativité au systèmes de coordonnées qui ne sont pas en translation uniforme les uns par rapports aux autres. On aboutit, en effet, grâce à cette conception, à l'identité d'essence entre l'inertie et la pesanteur. Car selon le point de vue qu'on adopte les mêmes masses apparaisse, tantôt comme subissant l'influence de l'inertie seule (vues de K), tantôt comme étant sous l'influence combinée de l'inertie et de la pesanteur (vues de K’). La possibilité de réduire l'égalité numérique entre l'inertie et la pesanteur à une identité d'essence confère, à mon avis, à la théorie de la relativité un avantage tel sur la conception de la mécanique classique, que toutes les difficultés ne doivent compter pour rien en face de ce progrès.

A. Einstein, conférence à Princeton, 1921

Principe d’équivalence et principe de relativité de l’inertie ou principe de Mach



Le super amas Laniakea

h c G c

Thermodynamique d’intrication

h k

Modèle standard de la physique des particules

Nouveau modèle standard de la cosmologie (CDM)

Gravité quantique

Physique au-delà des modèles standards

?Relativité générale

Théorie quantique des

champs

Vers une nouvelle apogée?13/12/2016


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Science