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2005 l'Odyssée de la Matière

Gilles Cohen-Tannoudji

2005Année mondiale de la physiquepour célébrer le centenaire de l'année miraculeuse d'Einstein

Einstein, employé au bureau des brevets à

Berne

2005 l'Odyssée de la Matière 3

• 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 ?


La situation de la physique en 1905

•État abouti du programme de la mécanique rationnelleo 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 Maxwello Intégration à la mécanique de l'hypothèse atomique au travers de la théorie cinétique de la matière et de la thermodynamique statistiqueo Établissement des bases générales de la physique statistique (Gibbs, Einstein, 1902)


• Des problèmes non résoluso Avance du périhélie de Mercureo Effet photoélectriqueo Propriétés mystérieuses de l'éthero 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


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)


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


• 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

La relativité générale, la gravitation et la

cosmologie


Le principe d'équivalence


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


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


Le modèle standard de la physique des particules"De Berne au CERN"


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


Du mouvement brownien aux nanotechnologies

« Un temps viendra peut-être où les atomes enfin directement perçus, seront aussi faciles à observer que le sont aujourd’hui les microbes. L’esprit 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 l’Univers. »

Jean Parrin Les atomes 1913 Un boulier moléculaire

Des quanta de lumière et de la relativité au modèle standard


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


La dualité champs/particules

Théorie quantique et relativiste

des champs

notionsclassiques :

• particules de matière

• champs d’interaction

notions nouvelles :• particulesd’interaction• champs de matière•antiparticules


Les champs quantiques• Les particules élémentaires ne sont pas des

points matériels. Ce sont des quanta d’énergie d’une même entité, présente en chaque point de l'espace-temps, un champ quantique.

• Pour émettre une particule d’un type donné, il faut modifier l’énergie du champ correspondant.

• Le vide, état du champ en l’absence de quanta, est l’espace de tous les possibles.


L’antimatière

• 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.

• Lorsqu’une particule et son antiparticule se rencontrent, elles s’engloutissent dans le vide en émettant des quanta de rayonnement.


Les particules d’interaction• 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 l’interaction forte sous la forme de gluons

• Le champ de l’interaction faible sous la forme des bosons intermédiaires W+, W- et Z


Histoire du Modèle standardDates Cadre théorique Gravitation Électro

magnétisme Interaction

faible Interaction

forte

17ème siècle

Galilée, Newton Newton

19ème siècle

Euler, Lagrange, Jacobi, Hamilton

Maxwell

1895-1898

Rayons X, électron, radioactivité

1900-1930

Mécanique quantique

1905-1915

Relativité Einstein

1930-1950

Théorie quantique des champs

QED Fermi Yukawa

1960-2004

Le modèle standard

Big bang Théorie électrofaible de Glashow, Salam et Weinberg

QCD


Tauon

(f EM)

Muon

(f EM)

Electrone

(f EM)

Leptons chargés

Neutrino de tauon

(f)

Neutrino de muon

(f)

Neutrino d'électron

e(f)

Leptons neutres

(neutrinos)

Beauté

b(f EM F)

Etrange

s(f EM F)

Bas

d(f EM F)

q=-1/3quarks

Sommet

t(f EM F)

Charme

c(f EM F)

Haut

u(f EM F)

q=2/3quarks

3ème génération2ème génération1ère générationGénérationType

Tauon

(f EM)

Muon

(f EM)

Electrone

(f EM)

Leptons chargés

Neutrino de tauon

(f)

Neutrino de muon

(f)

Neutrino d'électron

e(f)

Leptons neutres

(neutrinos)

Beauté

b(f EM F)

Etrange

s(f EM F)

Bas

d(f EM F)

q=-1/3quarks

Sommet

t(f EM F)

Charme

c(f EM F)

Haut

u(f EM F)

q=2/3quarks

3ème génération2ème génération1ère générationGénérationType

Les constituants élémentaires


GravitonEnergieToutes les particules

Gravitation

Bosons vecteursintermédiares,

W+, W- Z0

Isospin faibleQuarks, leptons chargés et neutrinos

Faible

PhotonCharge électriqueQuarks, leptons chargés

Electromagnétique

GluonsCouleurQuarks Forte

BosonChargeParticules

impliquéesInteraction

GravitonEnergieToutes les particules

Gravitation

Bosons vecteursintermédiares,

W+, W- Z0

Isospin faibleQuarks, leptons chargés et neutrinos

Faible

PhotonCharge électriqueQuarks, leptons chargés

Electromagnétique

GluonsCouleurQuarks Forte

BosonChargeParticules

impliquéesInteraction

Les interactions fondamentales


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 d’un nombre fini de paramètres fixés par l’expérience

• Une fois ces paramètres déterminés, toutes les quantités phénoménologiques sont calculables

• Tous les calculs sont en accord avec l’expérience jusqu’à une énergie de près de 200GeV

La dimension temporelle:une cosmogonie

scientifique


La quête de l'unité• Partis à la recherche des pièces du puzzle spatial de la matière,

c’est 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 s’agençant selon les quatre interactions

• Quête de l’unité: conception de l’état de l’univers où tous les champs de matière et d’interaction se fondraient en un unique superchamp


• L’univers se diluant et se refroidissant, le superchamp se défait, les champs de matière s’individualisent, 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


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


Une nature consonante avec elle-même

• L’univers se présente comme un fractal, se modifiant en fonction de l’énergie mais en restant auto-similaire

• « La nature déploie la même splendeur sans limites dans l’atome ou dans la nébuleuse, et tout moyen nouveau de connaissance la montre plus vaste et diverse, plus féconde, plus imprévue, plus belle, plus riche d’insondable 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


Un fourmillement prodigieux de mondes nouveaux


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


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

2005 l'Odyssée de la Matière 37Deux millions de galaxies

Les neutrinos


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

Les trous noirs


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 NAOSEurophysics News 35/5/2004

Une nouvelle sagesse


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


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

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