Site de vulgarisation scientifique d'Etienne Klein
"Il me plaît de penser que la physique est une sorte d’alpinisme intellectuel consistant à grimper jusqu’à des hauteurs himalayennes où le logos est rare et la vérité mutique."
photo E. Klein
signature E. Klein

Il était sept fois la révolution

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Certaines révolutions sont lentes et ne font pas couler de sang. Entre 1925 et 1935, la physique a connu un tel bouleversement : les atomes, ces petits grains de matière découverts quelques années plus tôt, n’obéissaient plus aux lois de la physique classique. Il fallait en inventer de nouvelles, penser autrement la matière. Une décennie d’effervescence créatrice, d’audace, de tourments, une décennie miraculeuse suffit à un petit nombre de physiciens, tous jeunes, pour fonder l’une des plus belles constructions intellectuelles de tous les temps : la physique quantique, celle de l’infiniment petit, sur laquelle s’appuie toujours la physique actuelle. Originaux, déterminés, attachants, pathétiques parfois, ces hommes ont en commun d’avoir été, chacun à sa façon, des génies. Dispersés aux quatre coins de l’Europe, à Cambridge, Copenhague, Vienne, Göttingen, Zurich ou Rome, ils se rencontraient régulièrement et s’écrivaient souvent. Leurs travaux se faisaient écho, suscitant l’admiration des uns, la critique des autres, jusqu’à ce qu’ils constituent un édifice formel cohérent. Ce livre rend hommage à quelques-uns de ces hommes remarquables : George Gamow, Albert Einstein, Paul Dirac, Ettore Majorana, Wolfgang Pauli, Paul Ehrenfest et Erwin Schrödinger.

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Wolfgang Pauli (1900 – 1958)


Schrodinger

Dans la discussion
Tout son corps se balance.
Quand il défend une thèse
Jamais la vibration ne s’arrête.
Il développe des théories éblouissantes
Tout en se rongeant les ongles.

Poème écrit par George Gamow à propos de Pauli


Formation

Wolfgang Pauli est né à Vienne en 1900. A cette époque, c’est une ville fourmillante d’intellectuels, ce qui est accentué par le milieu très intellectuel que forme et fréquente sa famille.

A l’école, c’est un très bon élève, qui est (déjà) farceur et donne des surnoms à ses professeurs pour amuser ses camarades. Il commence très tôt à lire de manière autonome des livres de physique, ce qui l’amène à publier des articles originaux sur la relativité générale d’Einstein dès 18 ans. Ces articles seront suivis d’une interprétation physique de la relativité générale et du formalisme mathématique associé : ce texte est salué par Einstein lui-même.

Il échappe à la mobilisation de la première Guerre Mondiale « grâce » à une faiblesse cardiaque. Il part donc faire ses études à Munich en 1918, avec pour professeur Sommerfeld. Toujours élève brillant, il préfère potasser ses livres de physique toute la nuit et ne vient guère au cours du matin. Parallèlement à ses cours, il fait de la recherche, où il se montre très productif et utile.


Intérêt pour la physique et premières découvertes

Il rencontre Bohr et s’allie très rapidement avec lui pour interpréter les spectres des atomes. En effet, lorsqu’un atome est excité (si on le chauffe par exemple), il émet une lumière composée de différentes fréquences bien définies, ce qui constitue des « raies » lumineuses nettement séparées les unes des autres. Le problème que les physiciens de l’époque n’arrivent pas à expliquer avc la physique classique est que le nombre de raies théoriques et constatées par l’expérience ne coïncident pas pour tous les atomes !

Pauli résout ce problème d’une manière originale : en effet, les particules sont, à son époque, décrites par trois nombres quantique. Il se rend compte qu’un nouveau nombre quantique est nécessaire pour rendre compte de tous les états. Ce nombre (baptisé plus tard « spin ») prend les valeurs ½ ou -½ et rend compte du sens de rotation de la particule. Il énonce du même coup le principe d’exclusion, qui affirme que deux électrons d’un même atome ne peuvent être dans le même état quantique. Ces avancées fondamentales permettent du même coup de comprendre le remplissage progressif du tableau périodique !

Un physicien au sacré caractère

Après ses découvertes, Pauli acquiert une certaine notoriété. Extrêmement sûr de lui, il devient un personnage majeur dans la validation ou non de nouvelles théories physiques. Il critique et méprise tout ce qui ne semble pas rigoureux, et son ton cassant lui vaut le surnom « le fouet de Dieu » de son ami Ehrenfest

Une anecdote relatant son fameux caractère est que son assistant voulait publier un article avec une erreur de calcul, qui a été remarquée et critiquée sévèrement par Pauli. L’assistant dit alors vouloir « arrêter la physique car [il ne se remettrait] jamais de cette bévue ». Sur quoi Pauli lui répond qu’une seule personne n’a jamais mis d’erreur dans ses articles : lui-même !

Pauli devient professeur, mais est un très mauvais pédagogue. Très fêtard, boit beaucoup. Se marie, qui se révèle très rapidement être un échec. Dans une tentative de remettre de l’ordre dans sa vie, il suit une psychanalyse et analyse ses rêves chez Jung.

Dernières recherches et liens avec la philosophie

Pauli mène des recherches sur la radioactivité. Le grand problème qui agite le monde de la science est d’expliquer la désintégration bêta. Pauli, qui a cette fois encore trouvé une solution originale au problème, rend à Rome en 1931 pour expliquer à Pauli sa théorie. Selon lui, une nouvelle particule neutre (qu’il baptise neutrino) est émise à chaque fois qu’un atome se désintègre par radioactivité bêta. Ces fameux neutrinos, qui seront effectivement observé 25 ans plus tard, sont la source de nombreux mystères aujourd’hui.

En 1934, il se remarie, et part avec sa femme aux Etats-Unis à cause de la seconde Guerre Mondiale. Il obtient (enfin) le Prix Nobel en 1945, puis il revient à Zurich où il continue à enseigner.

Il reste bon ami d’Einstein, malgré leur divergence de plus en plus importante sur le rôle et l’utilisation de la physique quantique. Déjà adepte de l’interprétation des rêves, il s’intéresse à la philosophie d’une façon presque mystique. Par exemple, il recherche les liens entre la psychologie et l’inconscient, et la science. Il publie même un livre intitulé « L’influence des notions archétypales sur la formation des théories scientifiques ».

Pour approfondir, voir chapitre « Les variations cachées de Wolfgang Pauli », dans Il était sept fois la Révolution

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Comment le boson de Higgs a-t-il changé le concept de masse ?

Le boson de Higgs est une particule élémentaire prédite en 1964 et détectée au LHC à Genève en 2012. De même qu’on associe aux photons (grains de lumière) un champ, appelé champ électromagnétique, on associe également au boson de Higgs un champ, appelé champ de Higgs. C’est ce champ qui confère une masse aux particules.

0:00 Introduction : la masse, un concept évident ?
2:49 La masse non nulle du neutrino
5:07 Quelle est la différence entre la masse et le poids ?
9:17 Masse grave et masse inertielle, de Newton à Einstein (éléments de relativité restreinte)
15:12 Dans un accélérateur de particules, on n’accélère pas !
15:56 Conception des forces en physique classique
17:10 Conception des forces en physique quantique ; masse des bosons
23:04 Théorie quantique de l’électromagnétisme, transformations de jauges, invariance du lagrangien localement
29:37 Les groupes de symétrie : U(1), SU(2) et SU(3) ; prédictions de bosons
34:13 Le modèle standard de la physique des particules, unification des groupes
37:27 Le modèle standard, conforme aux observations, dit que toutes les particules élémentaires ont une masse nulle
41:47 Le pari de Higgs, Brout et Englert : il n’y a pas de lien direct entre matière et masse
45:44 Les bosons de Higgs, quanta du champ de Higgs
47:07 Le LEP, le LHC et la découverte du boson de Higgs
50:13 L’intérêt des champs scalaires pour résoudre de grandes questions en physique
51:05 Conséquences cosmologiques de la découverte du boson de Higgs
53:06 Boson de Higgs et vide quantique
54:56 Bonus sur l’actualité du moment : fonds diffus cosmologique

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Les secrets de la matière

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Des particules élémentaires à l’Univers, du big bang aux accélérateurs de particules, en passant par la radioactivité ou l’énergie atomique, Etienne Klein nous guide dans un fascinant voyage au coeur de la matière. Comment expliquer que des matériaux aussi différents que le fer, l’eau ou l’oxygène soient composés de particules identiques ? Qu’est-ce que la radioactivité ? Quels processus ont généré l’Univers tel que nous le connaissons aujourd’hui ? En répondant à ces questions, l’auteur nous fait comprendre les lois qui s’exercent au sein de l’atome aussi bien que celles qui régissent le mouvement des galaxies.

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En cherchant Majorana

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«Ettore Majorana m’est «tombé dessus» lorsque je commençais mes études de physique. Ce théoricien fulgurant a surgi dans l’Italie des années vingt, au moment où la physique venait d’accomplir sa révolution quantique et de découvrir l’atome. En 1937, il publia même un article prophétique dans lequel il envisage l’existence de particules d’un genre nouveau, qui pourraient résoudre la grande énigme de la matière noire. Ce jeune homme maigre, aux yeux sombres et incandescents, était considéré comme un génie de la trempe de Galilée. Mais de tels dons ont leur contrepoids : Majorana ne savait pas vivre parmi les hommes, et c’est la pente pessimiste et tourmentée de son âme qui finit par l’emporter. A l’âge de trente et un ans, il décida de disparaître et le fit savoir. Une nuit de mars 1938, il embarqua sur un navire qui effectuait la liaison Naples-Palerme et se volatilisa.» Etienne Klein est parti sur les traces de cette comète, à Catane, Rome, Naples et Palerme. Il a rencontré des membres de la famille Majorana, fouillé les archives, analysé l’ouvre, avec le secret espoir que ce scientifique romanesque cesserait enfin de se dérober.

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Le Congrès Solvay de 1927

Physicien théoricien (allemand, puis anglais), il est principalement connu pour son importante contribution à la physique quantique. Il a été le premier à donner au carré du module de la fonction d’onde la signification d’une densité de probabilité de présence.
Figure monumentale de la physique, monolithe écrasant, mythologie gelée à lui tout seul : que faudrait-il dire de plus ?

Qui était Albert Einstein ?
Qu’est-ce que la relativité restreinte ?
Qu’est-ce que la relativité générale ?
Ce physicien néérlandais s’est consacré à l’étude de la constitution de la matière et la nature de la lumière. Il est co- lauréat du prix Nobel de Physique de 1902.
Physicienne et chimiste franco-polonaise, elle découvrit avec son époux Pierre Curie deux nouveaux éléments radioactifs, le radium et le polonium. Cette découverte leur valut l’attribution du prix Nobel de 1903, en même temps qu’Henri Becquerel. En 1911, elle obtint le prix Nobel de chimie et fut la seule femme présente au congrès Solvay cette année-là.

Qui était Marie Curie ?
Physicien allemand qui fut le père du quantum. En 1900, il découvrit, à sa plus grande surprise et sans y croire vraiment, la quantification des échanges d’énergie entre la matière et la lumière. Le formalisme de la physique quantique, construit au cours des années 1920, en découlera.

Qui était Max Planck ?
Ingénieur des mines, il fut pendant toute sa carrière directeur associé du laboratoire de recherches General Electrics. Ses travaux sur la physique des nuages ont permis de mettre au point le déclenchement artificiel de la pluie ou “ensemencement des nuages”. Il est lauréat du prix Nobel de Chimie de 1932 pour ses travaux sur la chimie des surfaces.
Physicien français, auteur d’une célèbre théorie du magnétisme et connu pour avoir introduit en France la théorie de la relativité d’Einstein.
Professeur Suisse, spécialisé en relativité restreinte. A l’époque, il fournit la meilleurs vérification expérimentale de la variation de la masse d’un objet en fonction de sa vitesse.
Ce physicien fut le premier et le seul écossais à recevoir le prix Nobel de Physique. C’est lors d’une randonnée que, frappé par la beauté des nuages, il décida de reproduire ce phénomène en laboratoire. C’est ses recherches sur la physique des nuages qui lui valurent le prix Nobel en 1927.
Il fut lauréat du prix Nobel de physique de 1928. Cependant, la Fondation Nobel ne décerna pas de prix en Physique cette année-là, car les travaux des nominés ne satisfaisaient pas tous leurs critères… Son prix ne lui fut donc délivré qu’une année plus tard, en 1929.
Physicien danois, qui joua un rôle déterminant dans l’édification de la mécanique quantique, notamment en proposant en 1913 un modèle de l’atome qui n’était pas compatible avec les lois classiques. Il obtint le prix Nobel en 1922.

Qui était Niels Bohr ?
Physicien français qui obtint le prix Nobel en 1929 pour sa découverte de la nature ondulatoire des électrons.
Physicien américain, lauréat du prix Nobel en 1927 « pour la découverte de l’effet nommé en son nom qui a apporté en 1922 la preuve de l’aspect corpusculaire du rayonnement électromagnétique.
Physicien britannique, réputé pour son laconisme, il écrivit en 1928 l’équation qui lui permit de prédire deux ans plus tard l’existence de l’antimatière.

Qui était Paul Dirac ?
Physicien néerlandais, collaborateur de Niels Bohr, qui a participé au développement de la mécanique quantique et à ses applications aux propriétés optiques et magnétiques de la matière.
Physicien australien, il se forma à Cambridge et s’intéressa beaucoup aux structures des cristaux. Il reçut avec son père le prix Nobel de Physique en 1915 pour leurs travaux d’analyses cristallines aux rayons X.
Physicien danois, notamment connu pour ses travaux sur les écoulements moléculaires de gaz.
Formé à l’Université de Munich, il enseigna la physique en Allemagne avant d’émigrer aux Etats-Unis au moment de la seconde Guerre Mondiale. Ses travaux sur les moments dipolaires, les rayons X et les électrons dans les gaz lui valurent le prix Nobel de Chimie en 1936.
Héritier d’une grande lignée de scientifiques puisque son père et son grand-père occupèrent une chaire au Collège de France. Mobilisé pendant la première guerre mondiale dans le service de radiotélégraphie, c’est dans ce domaine qu’il se spécialisa et publia Science et théorie de l’information.
Physicien britannique, connu pour avoir expliqué le phénomène d’émission par effet de champs. Il collabora avec Paul Dirac sur la mécanique statistique appliquée aux naines blanches.
Physicien allemand qui fut l’un des fondateurs de la mécanique quantique. On lui doit notamment d’avoir énoncé en 1927 le principe d’indétermination qui demeure associé à son nom. Il fut lauréat du prix Nobel de physique en 1932.

Qui était Werner Heisenberg ?
Physicien théoricien autrichien qui réalisa des travaux prophétiques. Il envisagea notamment, en 1930, l’existence d’une nouvelle particule, le neutrino, qui fut avérée vingt-cinq ans plus tard.

Qui était Wolfgang Pauli ?
Physicien belge, qui a été professeur à l’Université de Gand.
Physicien autrichien, grand amoureux des femmes, qui conçut en 1925, lors d’une escapade dans les Grisons avec une jeune maîtresse, l’équation pilotant le comportement des électrons au sein des atomes.

Qui était Erwin Schrödinger ?
Commençant sa carrière en tant que simple instituteur, il fit des études supérieurs solitaires et laissa, malgré ses débuts tardifs, un nombre de travaux considérable ! Il était convaincu que l’univers est mathématisable. Homme très cultivé, ce fut également un excellent pianiste.
Ce chimiste Belge participa au sept premiers congrès Solvay. Il fut directeur de la section des sciences physiques et chimiques à l’Institut des Hautes Études scientifiques (créée pour offrir aux scientifiques une émulation intellectuelle « libre de toute contrainte pédagogique et administrative »). Il anima des conférences dont l’objet était de commenter un film sur la relativité d’Albert Einstein.

Physicien autrichien, ami proche d’Albert Einstein, il apporta des contributions majeures en thermodynamique et excella à créer des liens entre les plus grands physiciens, à provoquer des rencontres, mais son sens critique et son tempérament mélancolique le poussèrent au suicide.

Qui était Paul Ehrenfest ?
Correspondant de l’Académie des sciences dans le département de la physique générale, il mit en évidence la radioactivité du potassium et du rubidium dans leur état naturel. Il fut également pionnier dans l’étude du microscope éléctronique.
Inventeur génial, il accorda une énorme importance à l’expérimentation. Il acquit une renommée mondiale pour ses ascensions scientifiques dans la haute atmosphère et ses plongées dans les abysses sous-marines. C’est de lui dont s’est inspiré Hergé pour le personnage du professeur Tournesol, inventeur d’un prototype de sous-marin !

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