2005 l'Odyssée de la Matière

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 ? 2005 l'Odyssée de la Matière

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) 2005 l'Odyssée de la Matière

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 2005 l'Odyssée de la Matière

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) 2005 l'Odyssée de la Matière

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 2005 l'Odyssée de la Matière

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 Lorentzétendue 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 2005 l'Odyssée de la Matière

9. 2005 l'Odyssée de la Matière

10. La relativité générale, la gravitation et la cosmologie

11. Le principe d'équivalence 2005 l'Odyssée de la Matière

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 2005 l'Odyssée de la Matière

13. 2005 l'Odyssée de la Matière

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 2005 l'Odyssée de la Matière

15. Le modèle standard de la physique des particules"De Berne au CERN" 2005 l'Odyssée de la Matière

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 2005 l'Odyssée de la Matière

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 aujourd’hui les microbes. L’esprit 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 l’Univers. » Jean Parrin Les atomes 1913 Un boulier moléculaire 2005 l'Odyssée de la Matière

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 2005 l'Odyssée de la Matière

20. La dualité champs/particules • notions • classiques : • particules • de matière • champs • d’interaction • notions • nouvelles : • particules • d’interaction • champs de • matière • antiparticules Théorie quantique et relativiste deschamps 2005 l'Odyssée de la Matière

21. Les champs quantiques • Les particules élémentaires ne sont pas des points matériels. Ce sont des quanta d’énergie d’une même entité, présente en chaque point de l'espace-temps, un champ quantique. • Pour émettre une particule d’un type donné, il faut modifier l’énergiedu champ correspondant. • Le vide, état du champ en l’absence de quanta, est l’espace de tous les possibles. 2005 l'Odyssée de la Matière

22. L’antimatière • 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. • Lorsqu’une particule et son antiparticule se rencontrent, elles s’engloutissent dans le vide en émettant des quanta de rayonnement. 2005 l'Odyssée de la Matière

23. Les particules d’interaction • 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 l’interaction forte sous la forme degluons • Le champ de l’interaction faible sous la forme des bosons intermédiaires W+, W- et Z 2005 l'Odyssée de la Matière

24. Histoire du Modèle standard 2005 l'Odyssée de la Matière

25. Les constituants élémentaires 2005 l'Odyssée de la Matière

26. Les interactions fondamentales 2005 l'Odyssée de la Matière

27. Des règles strictes pour une théorie prédictive • Il dépend d’un nombre fini de paramètres fixés par l’expérience • Une fois ces paramètres déterminés, toutes les quantités phénoménologiques sont calculables • Tous les calculs sont en accord avec l’expérience jusqu’à une énergie de près de 200GeV • Le modèle standardcontient 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 2005 l'Odyssée de la Matière

28. La dimension temporelle:une cosmogonie scientifique

29. La quête de l'unité • Partis à la recherche des pièces du puzzle spatial de la matière, c’est la dimension du tempsque 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 s’agençant selon les quatre interactions • Quête de l’unité: conception de l’état de l’univers où tous les champs de matière et d’interaction se fondraient en un unique superchamp 2005 l'Odyssée de la Matière

30. L'histoire de toute chose • L’univers se diluant et se refroidissant, le superchamp se défait, les champs de matière s’individualisent, 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, … 2005 l'Odyssée de la Matière

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 2005 l'Odyssée de la Matière

32. Une natureconsonante avec elle-même • L’univers se présente comme un fractal, se modifiant en fonction de l’énergie mais en restant auto-similaire • « La nature déploie la même splendeur sans limites dans l’atome ou dans la nébuleuse, et tout moyen nouveau de connaissance la montre plus vaste et diverse, plus féconde, plus imprévue, plus belle, plus riche d’insondable 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 2005 l'Odyssée de la Matière

33. 2005 l'Odyssée de la Matière

34. Un fourmillement prodigieux de mondes nouveaux 2005 l'Odyssée de la Matière

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 2005 l'Odyssée de la Matière

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 2005 l'Odyssée de la Matière

37. Deux millions de galaxies 2005 l'Odyssée de la Matière

38. 2005 l'Odyssée de la Matière

39. 2005 l'Odyssée de la Matière

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 2005 l'Odyssée de la Matière

42. 2005 l'Odyssée de la Matière

43. 2005 l'Odyssée de la Matière

44. 2005 l'Odyssée de la Matière

45. Les trous noirs

46. 2005 l'Odyssée de la Matière

47. 2005 l'Odyssée de la Matière

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 2005 l'Odyssée de la Matière

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. 2005 l'Odyssée de la Matière