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."
0:00 L’atome des grecs (Démocrite) et l’atome des physiciens 3:11 Peut-on définir la matière ? 5:14 L’autorité de l’image (Roland Barthes) 6:21 Les chambres à bulles (Glaser) 10:20 Les propriétés spontanées de la matière sont-elles fiables ? Y a-t-il une loi de conservation de la matière ? 14:28 Contre-exemple en physique des particules : une collision au LHC ; la conservation de l’énergie et ses implications 16:52 Le vide n’est pas vide ! Les petites particules Belles au bois dormant 19:03 Masse et matière, deux concepts distincts
6:21 Les chambres à bulles (Glaser)
Musique de chambre... à bulles
Le Monde selon Etienne Klein
Musique de chambre... à bulles
16:52 Le vide n’est pas vide ! Les petites particules Belles au bois dormant
Vide quantique et paradis fiscaux
Le Monde selon Etienne Klein
Vide quantique et paradis fiscaux
Tableau des particules
Des chroniques et des particules
Le modèle standard de la physique des particules
Le modèle standard, qui repose essentiellement sur le concept de symétrie, est la théorie qui sous-tend actuellement toute la physique des particules…
Du rififi chez les hadrons
Pour tout savoir sur les quarks, ces composants fondamentaux de la matière qui sont les constituants des hadrons :
Comment faire de l’anthropologie avec les neutrinos
Pour découvrir les propriétés de ces particules étranges que sont les neutrinos :
Les secrets de la matière
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.
1. L’atome : de l’idée à la découverte
L’atome dans l’Antiquité, la matière selon Aristote
Découverte expérimentale de l’atome au XXe siècle : Einstein, Jean Perrin
Expérience et modèle planétaire de Rutherford Encadré : effet photoélectrique (Hertz, Einstein), les photons « quanta » de lumière
Modèle de Bohr : hypothèses et limites, spectre et raies atomiques
Heisenberg : notion de « saut quantique » Encadré : constante de Planck et principe d’indétermination
Représentation de l’atome, entre intuition et réalité
Observation des atomes avec des photons
2. La radioactivité
Expérience de Becquerel : rayonnement de l’uranium
Découverte du radium par Pierre et Marie Curie
Description d’un noyau radioactif Encadré : qu’est-ce qu’un élément chimique ? Tableau périodique de Mendeleïev
Compétition entre force nucléaire et répulsion électrique
Radioactivité alpha, bêta, gamma
Période radioactive, mort probabiliste des noyaux radioactifs, exemple de l’uranium Encadré : qu’est-ce qu’un isotope ?
Radioactivité naturelle, potassium 40 du corps humain, définition du becquerel
Radioactivité artificielle découverte par Irène et Frédéric Joliot-Curie
Fission de l’uranium 235 : Hahn, Strassmann, Meitner et Frisch
Bombe nucléaire Encadré : équivalence masse-énergie E=mc2, exemples de l’activité du Soleil et des collisionneurs Encadré : Accélérateurs de particules et collisionneurs, LHC
3. Les forces de la nature
La gravitation et le postulat du graviton
L’interaction électromagnétique et les photons
L’interaction nucléaire faible et les bosons intermédiaires ; radioactivité bêta
L’interaction nucléaire forte et les gluons
Modèle standard, concepts de symétrie et d’invariance, groupes de symétrie
4. Les particules élémentaires
Les leptons : électron, muon, lepton tau, neutrinos et leurs antiparticules Encadré : l’antimatière, équation de Paul Dirac, découverte du positron par Anderson, lien avec le principe de causalité
Définition des différents hadrons : les baryons et les mésons
Les quarks : saveur et couleur, rôle des gluons Encadré : collisions et Univers primordial, définition de l’électronvolt, comparaison au moustique Encadré : comparaison entre collisions macroscopiques et collisions particulaires, conservation de l’énergie
Théorème de Noether : invariance des lois physiques par translation du temps, conservation de l’énergie comme corollaire
Paradoxe du vide, propriétés du vide quantique
Détection du boson de Higgs au CERN, redéfinition du concept de masse
Implications du concept de symétrie sur celui de masse ; idée de Brout, Englert et Higgs
Présentation du LHC
Le boson de Higgs en cosmologie : mécanisme de Higgs
5. Les questions ouvertes de la physique des particules
Contradictions internes dans le modèle standard, problème de la gravitation
Principes de la supersymétrie, non encore observée
Neutrino et antineutrino, entre théorie de Dirac et théorie de Majorana, désintégration bêta
Dissymétrie matière – antimatière, hypothèse de Sakharov
Nature de la matière noire, mirages gravitationnels
Expansion accélérée de l’Univers, supernovae, énergie noire et constante cosmologique
Théorie des supercordes
Petit voyage dans le monde des quanta
En 1905 apparaissait une nouvelle physique qui allait révolutionner la façon de décrire la matière et ses interactions : la physique quantique. Avec elle s’ouvraient les portes d’un monde qui n’obéit pas aux lois de la physique classique : l’infi niment petit, avec ses atomes et ses particules. Elle obligea ses pères fondateurs, Einstein, Bohr, Heisenberg et Schrödinger notamment, à rediscuter le déterminisme et les critères de réalité de la physique classique, ainsi que la traditionnelle séparation entre observateur et objet observé. Pour la première fois dans l’histoire des sciences, une discipline exigeait même que soit mis en œuvre un travail d’interprétation afi n d’être comprise et appliquée : quelle sorte de réalité représente le formalisme quantique ? Aujourd’hui, quel crédit convient-il d’accorder aux diverses interprétations proposées depuis les années 1920 ? La physique quantique ne laisse pas d’intriguer, de fasciner, d’exaspérer parfois. Elle demeure pourtant méconnue, victime de stéréotypes : on l’invoque pour cautionner tel phénomène étrange, mais on néglige d’en décrire les principes fondamentaux. Quels sont ces principes qui trouvent des applications toujours plus fascinantes, du laser à la cryptographie quantique, en passant par la téléportation ? D’où provient cette incroyable efficacité de la physique quantique ?
Introduction
Modèle planétaire de l’atome d’hydrogène
Physique quantique : introduction, étymologie et terminologie, applications, nécessité d’une interprétation au-delà du formalisme, rapport au réel, efficacité
Incompatibilité avec la relativité générale
1. La faillite des concepts familiers
Ondes, corpuscules et superposition classiques ; nature de la lumière
Expérience des deux fentes (fentes de Young) : insuffisance des interprétations strictement corpusculaire ou ondulatoire, interférences avec des électrons, disparition des interférences
1ère leçon : une particule n’est pas un corpuscule, influence de l’environnement
2e leçon : rôle de la mesure, citation de Bohr : rapport de la mesure avec le réel
3e leçon : rôle des appareils de mesure dans l’observation des phénomènes
4e leçon : fin de la notion de trajectoire
5e leçon : fin du déterminisme classique
2. Vers une nouvelle représentation des objets physiques
Notion de complémentarité (Bohr)
Classification de l’ornithorynque, analogie avec ondes et corpuscules
Description mathématique de l’expérience des deux fentes, amplitudes de probabilité
3. Le principe d’Heisenberg ou le sens de la mesure
Analogie classique, explication de l’origine de l’indétermination
Interprétation correcte du principe : indétermination n’est ni imprécision, ni incertitude
La constante de Planck, action (grandeur physique)
Conséquence du principe d’Heisenberg : stabilité des atomes
4. L’effet tunnel ou les nouvelles règles du saute-mouton
Bille lancée sur la montagne de Chamonix
Gamow, ses vaches et son effet tunnel ; description de la radioactivité alpha
Principe du microscope à effet tunnel ; probabilité d’observer un effet tunnel, rôle de la constante de Planck (en note : les aventures de Mr. Tompkins), explication à la main de l’effet tunnel
5. L’addition ou la quintessence du formalisme
Etat physique d’une particule
Bases du formalisme quantique : principe de superposition et vecteur d’état
Superposition macroscopique : présentation du baril de poudre d’Einstein et du chat de Schrödinger
Illustration d’un état superposé, particule dans un canal
Réduction du paquet d’ondes, influence de la mesure sur l’état d’un système
Redéfinition de la notion d’objet ; débats houleux sur le statut de la réduction du paquet d’ondes
Paradoxe de de Broglie, question de la complétude de la physique quantique, variables cachées
6. L’intrication quantique ou l’effet Rolling Stones
Localité et séparabilité
Vecteur d’état de deux particules après collision : intrication, description mathématique du phénomène, relation entre le tout et les parties
Analogie avec les Rolling Stones
7. La « non-séparabilité » et la controverse Bohr – Einstein
Objection d’Einstein : sur le hasard en tant que principe et sur le rôle de la mesure (au nom du réalisme)
Article EPR : hypothèses de départ, critère de réalité, paradoxe EPR
Réponse de Bohr
Théorème et inégalités de Bell, expériences liées (en particulier celle d’Aspect)
8. D’étonnantes machines intricantes
Cryptographie quantique
Fax et téléportation quantiques
Ordinateur quantique ; premiers résultats expérimentaux (quantronium)
9. Quand le réel semble se dérober
Particule dans une chambre à bulles
Représentation de l’atome
Difficultés conceptuelles nouvelles, question du lien entre formalisme et réalité
Détection d’un atome
10. Une affaire d’interprétation(s)
Liens entre théorie, intuition physique et réel ; contrafactualité remise en cause par la physique quantique et débats associés
Interprétation de Copenhague (Bohr), statut de l’opération de mesure
Objectivités forte et faible (d’Espagnat)
Réalisme physique
Indéterminisme quantique
Questions récurrentes dans les débats sur l’interprétation de la physique quantique
Attitudes positiviste, constructiviste
Théorie à variables cachées non locales (Bohm), description et difficultés induites (en note)
Interprétation de Wigner avec influence de la conscience
Interprétation avec des univers parallèles (Everett) : réalisation de tous les possibles
Théorie de la décohérence : interaction avec l’environnement, solution possible au chat de Schrödinger
Annexe
Genèse de la physique quantique, inexactitudes de la version conventionnelle ; rayonnement du corps noir (Planck)
Réflexion de Planck sur le second principe de la thermodynamique
Histoire du corps noir (Kirchhoff, Stefan, Wien, Planck) ; loi de Rayleigh, prise en compte par Planck des arguments de Boltzmann