2005 l'Odyss

1
2005 l'Odyssée de la Matière

• Gilles Cohen-Tannoudji

2
2005

• Année mondiale de la physique
• pour célébrer le centenaire de l'année
  miraculeuse d'Einstein

Einstein, employé au bureau des brevets à Berne
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 ?

4

• La situation de la physique en 1905
• État abouti du programme de la mécanique
  rationnelle
• Succès de la théorie de la gravitation
  universelle de Newton
• Formulation lagrangienne de la mécanique
  rationnelle (mécanique analytique)
• Synthèse de l'électricité du magnétisme et de
  l'optique par la théorie de Maxwell
• Intégration à la mécanique de l'hypothèse
  atomique au travers de la théorie cinétique de la
  matière et de la thermodynamique statistique
• Établissement des bases générales de la physique
  statistique (Gibbs, Einstein, 1902)

5

• 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

• Des problèmes non résolus
• Avance du périhélie de Mercure
• Effet photoélectrique
• Propriétés mystérieuses de l'éther
• Molécules inobservables

6
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)

7
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

8

• 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

9
(No Transcript)
10
La relativité générale, la gravitation et la
cosmologie
11
Le principe d'équivalence
12
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
13
(No Transcript)
14
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

15
Le modèle standard de la physique des
particules"De Berne au CERN"
16
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
17
Du mouvement brownien aux nanotechnologies
 Un temps viendra peut-être où les atomes enfin
directement perçus, seront aussi faciles à
observer que le sont aujourdhui les microbes.
Lesprit 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
lUnivers.  Jean Parrin Les atomes 1913
Un boulier moléculaire
18
Des quanta de lumière et de la relativité au
modèle standard
19
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 hn, 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

20
La dualité champs/particules

• notions
• classiques
• particules
• de matière
• champs
• dinteraction

• notions
• nouvelles
• particules
• dinteraction
• champs de
• matière
• antiparticules

Théorie quantique et relativiste des champs
21
Les champs quantiques

• Les particules élémentaires ne sont pas des
  points matériels. Ce sont des quanta dénergie
  dune même entité, présente en chaque point de
  l'espace-temps, un champ quantique.
• Pour émettre une particule dun type donné, il
  faut modifier lénergie du champ correspondant.
• Le vide, état du champ en labsence de quanta,
  est lespace de tous les possibles.

22
Lantimatière

• 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.
• Lorsquune particule et son antiparticule se
  rencontrent, elles sengloutissent dans le vide
  en émettant des quanta de rayonnement.

23
Les particules dinteraction

• 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 linteraction forte sous la forme de
  gluons
• Le champ de linteraction faible sous la forme
  des bosons intermédiaires W, W- et Z

24
Histoire du Modèle standard
25
Les constituants élémentaires
26
Les interactions fondamentales
27
Des règles strictes pour une théorie prédictive

• Il dépend dun nombre fini de paramètres fixés
  par lexpérience
• Une fois ces paramètres déterminés, toutes les
  quantités phénoménologiques sont calculables
• Tous les calculs sont en accord avec lexpérience
  jusquà une énergie de près de 200GeV

• 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

28
La dimension temporelleune cosmogonie
scientifique
29
La quête de l'unité

• Partis à la recherche des pièces du puzzle
  spatial de la matière, cest 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 sagençant selon les
  quatre interactions
• Quête de lunité conception de létat de
  lunivers où tous les champs de matière et
  dinteraction se fondraient en un unique
  superchamp

30
L'histoire de toute chose

• Lunivers se diluant et se refroidissant, le
  superchamp se défait, les champs de matière
  sindividualisent, 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,

31
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

32
Une nature consonante avec elle-même

• Lunivers se présente comme un fractal, se
  modifiant en fonction de lénergie mais en
  restant auto-similaire
•  La nature déploie la même splendeur sans
  limites dans latome ou dans la nébuleuse, et
  tout moyen nouveau de connaissance la montre plus
  vaste et diverse, plus féconde, plus imprévue,
  plus belle, plus riche dinsondable 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

33
(No Transcript)
34
Un fourmillement prodigieux de mondes nouveaux
35
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
36
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
37
Deux millions de galaxies
38
(No Transcript)
39
(No Transcript)
40
Les neutrinos
41
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

42
(No Transcript)
43
(No Transcript)
44
(No Transcript)
45
Les trous noirs
46
(No Transcript)
47
(No Transcript)
48
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
NAOS Europhysics News 35/5/2004
49
Une nouvelle sagesse
50
Préface du livre de Georges Lemaître l'hypothèse
de l'atome primitif, Ferdinand Gonseth
La science moderne, en éclairant les techniques
s'est faite humblement utilitaire, - ne songeons
pas à nous en plaindre.
Et cependant la portée d'une hypothèse
cosmogonique dépasse d'une manière
incommensurable la sphère de l'utile immédiat et
touche à la nécessité
Dans chaque esprit, comme un élément nécessaire à
son équilibre, se trouve comprise une hypothèse
cosmogonique.

51
Les décideurs auront-ils la sagesse de continuer
à soutenir l'effort de recherche fondamentale ?