Mise en perspective premier cours

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<p>Relativit et quanta, une mise en perspective e2phy, Clermont-Ferrand 25082014</p> <p>Relativit et quanta, une mise en perspectivee2phy14, Clermont-Ferrand 25082014(Premier cours)Gilles Cohen-TannoudjiLaboratoire de recherche sur les sciences de la matire (Larsim CEA-Saclay)www.gicotan.fr </p> <p>1</p> <p>Plan des deux cours1/Introduction: Une apoge de la physique de grand impact culturel2/Do venons nous? Trois grandes synthses mettre lactif de la physique classique qui entre en crise au dbut du 20me sicle3/ Les constantes universelles et la crise de la physique classique4/ O en sommes nous? Un nouveau grand rcit de lunivers5/ Et maintenant? Une nouvelle rvolution scientifique lhorizon?</p> <p>25/08/20142Relativit et quanta, une mise en perspective</p> <p>2</p> <p>Introduction: une apoge de la physique de grand impact culturelEn un sicle, notre champ de vision est pass du millier dannes-lumire, au milliard dannes-lumire.Comment ltre humain, un tre si fragile, dont la vie dpasse rarement les 100 ans, une poussire de temps compare lge de lunivers, a-t-il pu, avec sa seule intelligence, se hisser une telle cohrence dans la reprsentation du monde qui lentoure, aussi bien dans linfiniment petit des atomes et des particules lmentaires que dans linfiniment grand du cosmos ?Ptolme plaait la terre au centre du monde, Copernic remplaait cette reprsentation gocentrique par une reprsentation hliocentrique. Nous savons aujourdhui que lunivers stend bien au del du systme solaire et de la voie lacte.Lumire, matire et cosmos, Discours prononc par Claude Cohen-Tannoudji en 2009, trois ans avant lannonce de la dcouverte du boson de Higgs25/08/20143Relativit et quanta, une mise en perspective</p> <p>3</p> <p>Standing ovation au CERN, le 4 juillet 2012 lannonce de la dcouverte du boson de HiggsUn milliard dinternautes et tlspectateurs exposs cette annonce</p> <p>4</p> <p>Robert Brout (1928-2011)Franois Englert et Peter HiggsF. Englert and R. Brout, Broken symmetry and the mass of gauge vector mesonsPhysical Review Letters , 13 9, p. 321, 31 august 1964P. Higgs, Broken symmetry and the masses of gauge bosonPhysical Review Letters,13 16, p. 508, 19 october 1964Mcanisme et boson BEH (Brout, Englert, Higgs)Franois Englert et Peter Higgs rcompenss par le prix Nobel de physique en 301325/08/2014Relativit et quanta, une mise en perspective5</p> <p>5</p> <p> Et pourtant, le boson de Higgs au bac en 2014!!</p> <p>25/08/20146Relativit et quanta, une mise en perspective</p> <p>6</p> <p>La qute de llmentarit et la course aux hautes nergiesLes ingalits de HeisenbergInfiniment bref et infiniment petit =infiniment grand en nergie25/08/2014Relativit et quanta, une mise en perspective7</p> <p>7</p> <p>25/08/2014Relativit et quanta, une mise en perspective8</p> <p>Vue arienne du CERN</p> <p>8</p> <p>25/08/2014Relativit et quanta, une mise en perspective9</p> <p>Le dtecteur ATLAS auprs du LHC</p> <p>9</p> <p>25/08/2014Relativit et quanta, une mise en perspective</p> <p>10</p> <p>10</p> <p>25/08/2014Relativit et quanta, une mise en perspective</p> <p>11</p> <p>11</p> <p>Le boson BEH au LHC, et, venir le LHC nergie et luminosit doubles en 201525/08/2014Relativit et quanta, une mise en perspective12</p> <p>12</p> <p>25/08/2014Relativit et quanta, une mise en perspective</p> <p>13Analyse complte des donnes fournies par le satellite Planck (fin 2015)</p> <p>13</p> <p>Une mise en perspective transhistoriqueLe modle standard contient en lui-mme les questions qui lamneront un jour, trs bientt peut-tre tre dpass. On retrouve cette ide selon laquelle pour lesprit scientifique, tracer nettement une frontire, cest dj la dpasser , dans lpistmologie de Bachelard que Vincent Bontems qualifie de transhistorique dans louvrage quil a consacr ce philosophe. Cest une telle mise en perspective dont lintention nest pas de juger lhistoire des sciences partir dun point de vue pistmologique historiquement fixe et privilgi, mais partir de nimporte quel point de son histoire , quest consacre cette premire partie de notre ouvrage, qui, partant de la naissance de la science moderne au XVIIe sicle, aboutira la fin des annes soixante du XXe sicle qui ont vu natre deux nouvelles disciplines de la recherche fondamentale, la physique des particules et la cosmologie scientifiqueGC-T, Michel Spiro, Le boson et le chapeau mexicain p. 36</p> <p>25/08/201414Relativit et quanta, une mise en perspective</p> <p>14</p> <p>2/ Do venons-nousTrois grandes synthses mettre lactif de la physique classique qui entre en crise au dbut du 20me sicle25/08/201415Relativit et quanta, une mise en perspective</p> <p>15</p> <p>25/08/201416Relativit et quanta, une mise en perspective2.1 Premire synthse: la rvolution copernicienne, synthse de la mcanique terrestre et de la mcanique cleste</p> <p>Concepts de base : point matriel et forceCinmatiqueEspace et temps absolusGomtrie euclidienne Les quatre loisRelativit galilenneForce et acclrationAction et ractionAttraction universelle</p> <p>16</p> <p>25/08/201417Relativit et quanta, une mise en perspectiveRvolution copernicienne, naissance de la science moderne, unification de la mcanique terrestre et de la mcanique clesteOrigine du principe d'quivalence:{Deuxime loi + G = constante universelle} </p> <p>{l'acclration induite par la gravitation est indpendante de la masse et de la nature des corps sur lesquels elle s'applique} </p> <p>17</p> <p>La mcanique analytiqueLagrange unifie mathmatiquement la mcanique, en tablissant un cadre formel qui rend possible de rsoudre tous les problmes qui peuvent en relever, incluant ceux de la statique et ceux de la dynamique pour les solides et les fluides. Cette reformulation de la mcanique fait jouer un rle central un concept qui na t formalis que tardivement, et qui a fait passer au second plan celui de force, lnergie que l'on spare en nergie cintique et en nergie potentielle ; les quations du mouvement peuvent tre dduites du principe de moindre action qui avait t postul de manire heuristique par Maupertuis et qui a t formalis de faon rigoureuse par Euler, Lagrange et Hamilton. L'intrt de cette formulation de la mcanique est d son caractre systmatique : elle fournit une authentique mthodologie, comprenant des rgles strictes, qu'il est suffisant d'observer rigoureusement pour driver les quations du mouvement de tout systme matriel. GC-T, Michel Spiro, Le boson et le chapeau mexicain p. 42</p> <p>25/08/201418Relativit et quanta, une mise en perspective</p> <p>18</p> <p>2.2 Deuxime synthse: la thermodynamique statistique, synthse de latomisme et de la mcaniquenergie et entropie et les deux principes de la thermodynamique (Carnot et Clausius) (immatrialit du calorique)Thorie cintique (ou molculaire) de la matire (Maxwell et Boltzmann)Thermodynamique statistiqueAtomisme : les atomes seraient les points matriels dont le mouvement obit aux lois de la mcaniqueProblme de l'observabilit des atomesEntropie et flche du temps </p> <p>25/08/2014Relativit et quanta, une mise en perspective19</p> <p>19</p> <p>2.3 Troisime synthse: la thorie lectromagntique de la lumire de Maxwell, synthse de llectromagntisme et de loptiqueLa thorie lectromagntique de la lumireFaraday et le concept de champSynthse de l'lectricit, du magntisme et de l'optique dans la thorie de MaxwellReformulation de la thorie et vrification exprimentale par HertzTriomphe de la conception ondulatoire de la lumireLe modle de l'ther et ses difficults </p> <p>25/08/2014Relativit et quanta, une mise en perspective20</p> <p>20</p> <p>2.4 Bilan de la conception de la matire la fin du 19e sicle</p> <p>Succs de la thorie de la gravitation universelleAxiomatisation de la mcanique rationnelle (mcanique analytique et formulation lagrangienne)Deux composantes dans la matire :Les atomes ou molcules, assimils des points matriels de masse et ventuellement de charge invariableL'ther, milieu hypothtique aux tranges proprits suppos porter les ondes lectromagntiques ou lumineusesConception classique de l'espace et du tempsConception subjectiviste de la flche du temps (dmon de Laplace)</p> <p>25/08/2014Relativit et quanta, une mise en perspective21</p> <p>21</p> <p>Des problmes non rsolusAvance du prihlie de MercureEffet photo-lectriqueLoi du rayonnement du corps noirChaleur spcifique des corps poly-atomiquesImpossibilit dobserver directement les atomes ou molculesIdentit des atomes dune mme espceImpossibilit de mettre en vidence le mouvement relativement lther</p> <p>25/08/2014Relativit et quanta, une mise en perspective22</p> <p>22</p> <p>25/08/201423Relativit et quanta, une mise en perspective</p> <p>Thorie lectromagntique de la lumiree, c(Faraday, Maxwell, Hertz)</p> <p>Thorie de la gravitation universelleG(Galile, Newton)</p> <p>Mcanique analytique(Lagrange, Hamilton)Thorie cintique de la matire,Thermodynamique statistiquek(Maxwell, Boltzmann)</p> <p>Leffet photolectrique?Le rayonnement du corps noir?Rcession du prihlie de Mercure?Problme de lther?</p> <p>23</p> <p>3/ Les constantes universelles et la crise de la physique classique25/08/201424Relativit et quanta, une mise en perspective</p> <p>24</p> <p>3.1 Les constantes universellesG, c, k, h : quatre constantes universelles dcouvertes ou redcouvertes au dbut du 20me sicleDfinissent les units fondamentalesTraduisent des principes fondamentaux de limitationStructurent, par leur prise en compte sparment ou par paires, le cadre gnral de la physique thorique qui rpond la crise de la physique classique25/08/201425Relativit et quanta, une mise en perspective</p> <p>25</p> <p>25/08/201426Relativit et quanta, une mise en perspectiveLes chelles de Planck (1899) Quatre constantes universelles dimensionnes: h,k,G,c, partir desquelles Planck dtermine des grandeurs fondamentales, appeles chelles de Planck</p> <p>3.2 Les chelles de Planck</p> <p>26</p> <p>La rvolution scientifique du 20me sicleG, c, k, h : quatre constantes universelles dcouvertes ou redcouvertes au dbut du 20me sicleDfinissent les units fondamentalesTraduisent des principes fondamentaux de limitationStructurent le cadre gnral de la physique thoriqueLe nouveau trpied de la physique thoriqueLa thorie quantique des champs (h, c), au fondement de la physique des particulesLa relativit gnrale (G, c), au fondement de la cosmologieStatistique quantique et physique quantique notre chelle (h,k), au fondement de la physique des phnomnes mergents 25/08/2014Relativit et quanta, une mise en perspective27</p> <p>27</p> <p>3.3 Les horizons de la mcanique : les thories une constante (h), (c), (k)</p> <p>L'horizon statistique ou informationnel (k) Thermodynamique statistiqueSecond principe et impossibilit du mouvement perptuelMcanique rationnelle au niveau des atomes Prdictibilit probabiliste (conditions initiales pratiquement non prdictibles ni reproductibles)La constante de Boltzmann</p> <p>Mouvement brownien 25/08/2014Relativit et quanta, une mise en perspective28</p> <p>28</p> <p>25/08/201429Relativit et quanta, une mise en perspectiveRalit des atomesJean Perrin : treize faons diffrentes de dterminer le nombre d'Avogadro</p> <p>Thermodynamique classique</p> <p>Physique statistique = triomphe de la mcanique rationnelle et de la conception atomiste (Einstein)Shannon et Brillouin: interprtation informationnelle de l'entropieInformation et "agraindissement"</p> <p>29</p> <p>25/08/201430Relativit et quanta, une mise en perspectiveL'horizon relativiste (c) Les problmes de la thorie lectromagntique de MaxwellModle de l'ther peu crdiblechec de l'exprience de Michelson MorleyL'approche de Poincar-LorentzInvariance de Lorentz des quations de MaxwellLes transformations de Lorentz et les rotations forment un groupeLa relativit de PoincarPrincipe de relativit et invariance de LorentzThorie de l'lectron dformable, contraction relle des longueurs et pression de l'therDualit temps vrai/temps local</p> <p>30</p> <p>25/08/201431Relativit et quanta, une mise en perspectiveLa relativit restreinte d'EinsteinLes principesRelativitInvariabilit de la vitesse de la lumire, et nouveau statut de la constante cIdentit des talons de mesure au repos (dures et longueurs)Remise en cause de la cinmatiquelimination de l'therPromotion du concept de champ au rang de concept fondamentalL'espace-temps de MinkowskiInvariance de Lorentz tendue toutes les lois de la physiqueRelativit qualifie de restreinte parce que limite aux changements de rfrentiels inertiels </p> <p>31</p> <p>25/08/201432Relativit et quanta, une mise en perspectiveL'horizon quantique (h)Problmes non rsolus de la physique classiqueRadioactivitChaleur spcifique des corps poly-atomiquesRayonnement du corps noirEffet photo-lectriquePrincipales tapes du dveloppement de la thorie quantique1900 Planck et le rayonnement du corps noir1905 Einstein et les quanta de lumire1908 Rutherford et le noyau de l'atome1913 L'atome de Bohr1916 Einstein et l'mission induite1924 Statistique de Bose -Einstein1926 Statistique de Fermi-Dirac</p> <p>32</p> <p>25/08/201433Relativit et quanta, une mise en perspectiveCrise conceptuelle majeureDiscontinu dans les relations causales : crise de la causalitIngalits de Heisenberg : crise de l'objectivitIndterminisme: impossibilit de principe de dterminer les conditions initiales Intrication et procs en incompltude intent par EinsteinLa mcanique quantique (fin des annes 20)Formalisme de l'espace de HilbertInterprtation de CopenhagueAcquisSolution des problmes laisss en suspens par la physique classiqueStabilit des atomesIdentit des atomes d'une mme espceExplication complte de tous les phnomnes atomiques, molculaires, Consolidation de la thermodynamique statistique (troisime principe)</p> <p>33</p> <p>25/08/201434Relativit et quanta, une mise en perspectiveUn premier bilan pistmologiqueLa rponse la crise conceptuelle majeure du dbut du XXe sicle ncessite des remises en causes majeures, lies la prise en compte de chacune des constantes universelles, mais pas un retour en arrire par rapport la rvolution copernicienneLes remises en cause concernent la cinmatique (i.e. valable quelles que soient les interactions)Pour laborer des thories dynamiques, il faut construire des cadres axiomatiques, i.e. des thories deux constantes, permettant de modliser les phnomnesDans ces remises en cause, et cette laboration, noter le rle essentiel jou par les mesures de haute prcision</p> <p>34</p>