Lumière fil conducteur_ms_manaus_with_comments_in_english

Le paradigme de la lumière, fil conducteur des modèles

standards

LISHEP 2015 29/07/2015Gilles Cohen-Tannoudji

Laboratoire de Recherche Sur les Sciences de la MatièreLARSIM CEA-Saclay

molécule

atome

noyau

nucléon

quark électron

Terre

système solaire

amas

super amas

cosmos

macromolécule

tissus

organe

organisme

groupe social

galaxie

29/07/2015 2La lumière, fil conducteur des modèles standards

Infiniment grand

Infiniment petit

Infiniment complexe

Hiérarchie de structures emboîtées

• Infiniment petit : physique des particules• Infiniment grand : astrophysique, cosmologie• Infiniment complexe : hiérarchie de

disciplines; physique statistique• Complexité : multitude d’interactions

enchevêtrées• Interactions fondamentales : celles qui

gouvernent les échelles extrêmes


Les trois infinis

• Tout ce qui concourt à la formation, à la cohésion ou à la désintégration des structures de l’emboîtement universel

• Tout ce qui concourt à la dynamique des processus dans lesquels ces structures ou leurs constituants sont engagés

• Exemples : conversation, match de rugby, désintégration radioactive, collision particulaire


La notion d’interaction

• La gravitation : dominante dans l’univers à

très grande échelle

• En physique des particules : trois interactions

fondamentales, l’interaction

électromagnétique, les interactions forte et

faible


Les interactions fondamentales

29/07/2015 La lumière, fil conducteur des modèles standards 6

Dates Cadre théorique Gravitation Électro magnétisme

Interaction faible

Interaction forte

17ème siècle

Galilée, Newton Newton

19ème siècle

Mécanique analytique, thermodynamique statistique

Maxwell

1895-1898

Rayons X, électron, radioactivité

1900-1930

Mécanique quantique

1905-1915

Relativité Einstein

1930-1970

Théorie quantique des champs

Big bang QED Fermi Yukawa

1970-2012

Théories de jauge CDM Théorie électrofaible de Glashow, Salam, Weinberg et

Brout, Englert et Higgs

QCD

2012- … Décohérence, théorie quantique de l’information, Holographie

Grande unification? Supersymétrie ? Matière sombre ?Inflation ?Gravitation quantique ?


Théorie électromagnétique de

la lumièree, c

(Faraday, Maxwell, Hertz)

Théorie de la gravitation universelle

G(Galilée, Newton)

Mécanique analytique(Lagrange, Hamilton)

Théorie cinétique de la matière,

Thermodynamique statistique

k(Maxwell, Boltzmann)

L’effet photoélectrique?Le rayonnement du corps

noir?

Précession du périhélie de Mercure?

Problème de l’éther?


L’interaction électromagnétique


Le photon

L’action mise en jeu dans une interaction, égale au produit de l’énergie transférée DE par la durée DT est nécessairement supérieure au quantum d’action, égal à la constante de Planck divisée par 2 :p

A E Th

2

A E Th

2

2

hA E T


Le quantum d’action

E T

x p

y p

z p

x

y

z

Infiniment bref et infiniment petit =infiniment grand en énergie

x

y

z

E T

x p

y p

z p


Les inégalités de Heisenberg

14L’accélérateur du CERN à Genève29/07/2015 La lumière, fil conducteur des modèles standards

15

L’intérieur du détecteur ATLAS au LHC29/07/2015 La lumière, fil conducteur des modèles

standards

• La relativité restreinte– Le temps: quatrième dimension de l’espace-temps– L’énergie précède la masse:

• il y a de l’énergie sans masse, par exemple la lumière • mais il n’y a pas de masse sans énergie: E=mc2

• La relativité générale– Théorie géométrique de la gravitation universelle– Base théorique de la cosmologie, étude de la

dynamique de l’univers dans son ensemble


Einstein et la théorie de la relativité


La matière dicte à l’espace-temps comment il doit se courber: l’espace temps dicte à la matière

comment elle doit se mouvoir

L’équation d’Einstein

18

• Une solution possible des équations d'Einstein à la base de la cosmologie: – un univers en expansion et en refroidissement depuis une phase

infiniment dense et infiniment chaude, le big bang,– jusqu'à son état actuel (étoiles et planètes, nébuleuses, galaxies,

amas et super amas de galaxies,…), – après une succession de transitions où les particules et les

interactions se différentient, où se forment les structures de l'emboîtement universel

• Conséquences prédites par ce modèle et confirmées par l'observation– Fuite des galaxies à des vitesses proportionnelles à leur

éloignement– Proportions des noyaux légers entrant dans la composition de la

matière universelle– Rayonnement de fond cosmologique, émis lorsque l'univers

devient transparent à la lumière

Le modèle cosmologique du big bang

29/07/2015 La lumière, fil conducteur des modèles standards

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• Voir le passé avec la lumière– Les distances exprimées en "temps - lumière"

• Distance Terre – Lune: une seconde – lumière• Distance Terre – Soleil: 8 minutes – lumière• Distance Terre – supernova 1987A: 170000 années –

lumière– Voir une galaxie à 1 milliard d'années – lumière, c'est voir un

aspect de l'univers tel qu'il était il y a 1 milliard d'années

• Voir le passé dans la matière– Les quarks et les électrons dont est faite toute la matière qui

nous compose et qui nous entoure datent des tous premiers instants qui ont suivi le big-bang

– Sonder la matière aux plus petites échelles possibles, c'est voir des aspects de l'univers tel qu'il était immédiatement après le big bang

Comment reconstituer l’histoire de l’univers


20

Les grandes étapes de l’histoire de l’univers primordial

a b c d e

0

f

0 : « Le temps 0 » : La singularité du big bang. a : L’ère de la gravitation quantique (10-43 s). Toutes les interactions seraient unifiées. Un domaine encore très mal comprisb : L’ère de la grande unification (10-35 s). La gravitation est séparée des 3 autres interactions qui restent unifiées.c : L’ère de l’unification électrofaible (10-12 s). L’interaction forte est séparée des interactions électromagnétiques et faibles qui restent unifiées.d : L’interaction faible est séparée de l’interaction électromagnétique (10-5 s). La lumière est née et les particules de matière sont devenues massives grâce au « mécanisme de Higgs », objet des recherches prévues au LHC. e : Période plus longue (370.000 années) pendant laquelle se forment les protons, les neutrons et les noyaux légers, au sein d’un milieu ionisé (plasma) opaque à la lumièref : La lumière s’est échappée sous forme de rayonnement de fond cosmologique, révélant les grandes structures de l’univers.


21

• Un flash de lumière, émis 370000 ans après le big bang, quand l'univers est devenu transparent

• Découvert, par hasard, par Penzias et Wilson en 1965

• Analysé en grands détails, il donne des informations sur le contenu en énergie de l'univers et sur la formation des galaxies et des amas de galaxies

Le rayonnement de fond cosmologique


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La carte angulaire du rayonnement de fond cosmologiquerévèle les inhomogénéités de l’univers primordial


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http://map.gsfc.nasa.gov/m_ig/030628/030628B_s.jpg

http://map.gsfc.nasa.gov/m_ig/030628/030628B_s.jpg

Dates Cadre théorique Gravitation Électro magnétisme

Interaction faible

Interaction forte

17ème siècle

Galilée, Newton Newton

19ème siècle

Mécanique analytique, thermodynamique statistique

Maxwell

1895-1898

Rayons X, électron, radioactivité

1900-1930

Mécanique quantique

1905-1915

Relativité Einstein

1930-1970

Théorie quantique des champs

Big bang QED Fermi Yukawa

1970-2012

Théories de jauge CDM Théorie électrofaible de Glashow, Salam, Weinberg et

Brout, Englert et Higgs

QCD

2012- … Décohérence, théorie quantique de l’information, Holographie

Grande unification? Supersymétrie ? Matière sombre ?Inflation ?Gravitation quantique ?


Pourquoi faisons-nous tout cela?


The Higgs boson



Analyse complète des données fournies par le satellite Planck (fin 2015)

Première photo depuis la surface de la comète Tchouri transmise par le robot Philae

le 13/11/2014


« L’objet d’une théorie cosmogonique est de rechercher des conditions initiales idéalement simples d’où a pu résulter, par le jeu des forces physiques connues, le monde actuel dans toute sa complexité. »


Un nouveau grand récit de l’univers


« Le monde est une belle histoire que chaque génération s’efforce d’améliorer. Les tourbillons de Descartes n’ont pas survécu aux progrès de la science ; peut-être pourtant reste-t-il quelque chose de l’attitude mentale qui faisait dire à Descartes Mundus est fabula dans ce que Poincaré appelait plus tard les hypothèses cosmogoniques par lesquelles l’homme ne peut s’empêcher d’essayer de se raconter l’histoire de l’univers et de reconstituer son évolution passée. » Georges Lemaître, L’hypothèse de l’atome primitif (note présentée lors de la séance du 8 février 1948 de l’Académie Pontificale des Sciences, Acta Pontificiae Academiae scientiarum, t.XII, 1948, n° 6, pp. 25-40. (Cité par Dominique Lambert,Un atome d’Univers, op.cit. p. 315)


"Au-dessus du sujet, au-delà de l'objet immédiat, la science moderne se fonde sur le projet. Dans la pensée scientifique, la méditation de l'objet par le sujet prend toujours la forme du projet."Gaston Bachelard "Le nouvel esprit scientifique" PUF Paris 1934, p. 15

« La fonction du référentiel est implacablement double et ambivalente. Il met, d’une part, le projet d’exister en situation, donnant forme aux conditions du pouvoir-être et à l’obligation du devoir-être. D’autre part, le projet qu’il conditionne ainsi n’est pas un projet quelconque, c’est un projet d’exister. »F. Gonseth, op.cit., p. 198

« L’être vivant est un objet porteur d’un projet d’exister. », Jacques Monod, cité par Gonseth

« Par l’espace, l’univers me comprend et m’engloutit comme un point. Par la pensée, je le comprends » Pascal, Les pensées


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