2005 l’Odyssée de la Matière 2005 L’année miraculeuse d’Einstein De la relativité au Big Bang La relativité générale, la gravitation et la cosmologie

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Ross, Suzanne, Executive Producer has reference to this Academic Journal, PHwiki organized this Journal 2005 l’Odyssée de la Matière Gilles Cohen-Tannoudji 2005 Année mondiale de la physique pour célébrer le centenaire de l’année miraculeuse d’Einstein Einstein, employé au bureau des brevets à Berne 2005 l’Odyssée de la Matière La situation en 1905 L’odyssée de l’espace: de la relativité au big bang L’odyssée de la matière: le modèle st in addition to ard, de Berne au CERN L’odyssée du temps: une cosmogonie scientifique “Un fourmillement prodigieux de mondes nouveaux” Une nouvelle sagesse

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2005 l’Odyssée de la Matière 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 Des problèmes non résolus Avance du périhélie de Mercure Effet photoélectrique Propriétés mystérieuses de l’éther Molécules inobservables 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 2005 l’Odyssée de la Matière 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 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 Einstein et la relativité restreinte Principe de relativité Invariabilité de la vitesse de la lumière (absence d’action instantanée à distance) Ab in addition to on du modèle de l’éther Refondation de la cinématique: invariance de Lorentz étendue 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

La relativité générale, la gravitation et la cosmologie 2005 l’Odyssée de la Matière Le principe d’équivalence 2005 l’Odyssée de la Matière 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 2005 l’Odyssée de la Matière Le big bang, le modèle st in addition to ard 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 Le modèle st in addition to ard de la physique des particules “De Berne au CERN”

2005 l’Odyssée de la Matière 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 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 Des quanta de lumière et de la relativité au modèle st in addition to ard

2005 l’Odyssée de la Matière 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 gr in addition to eur hn, le pas évident à franchir est d’investiguer si les lois de l’émission et de la trans as long as mation 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 La dualité champs/particules Théorie quantique et relativiste des champs notions classiques : particules de matière champs d’interaction notions nouvelles : particules d’interaction champs de matière antiparticules 2005 l’Odyssée de la Matière 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’énergie du 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 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 Les particules d’interaction Tout comme la matière, les interactions sont associées à des champs quantiques qui se manifestent sous la as long as me de particules qui en sont les messagers Le champ électromagnétique sous la as long as me de photons Le champ de l’interaction as long as te sous la as long as me de gluons Le champ de l’interaction faible sous la as long as me des bosons intermédiaires W+, W- et Z 2005 l’Odyssée de la Matière Histoire du Modèle st in addition to ard

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2005 l’Odyssée de la Matière Les constituants élémentaires 2005 l’Odyssée de la Matière Les interactions fondamentales 2005 l’Odyssée de la Matière Des règles strictes pour une théorie prédictive Le modèle st in addition to ard contient 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 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

La dimension temporelle: une cosmogonie scientifique 2005 l’Odyssée de la Matière La quête de l’unité Partis à la recherche des pièces du puzzle spatial de la matière, c’est la dimension du temps que 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 gr in addition to en énergie. Aux énergies actuellement accessibles, tout se ramène à la simplicité de champs de matière aux douze as long as mes 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 L’univers se diluant et se refroidissant, le superchamp se défait, les champs de matière s’individualisent, les interactions se différencient, l’énergie se trans as long as me en masse, de nouveaux états de la matière se as long as ment 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, L’histoire de toute chose

Une nouvelle sagesse 2005 l’Odyssée de la Matière La science moderne, en éclairant les techniques s’est faite humblement utilitaire, – ne songeons pas à nous en plaindre. Dans chaque esprit, comme un élément nécessaire à son équilibre, se trouve comprise une hypothèse cosmogonique. Et cependant la portée d’une hypothèse cosmogonique dépasse d’une manière incommensurable la sphère de l’utile immédiat et touche à la nécessité Préface du livre de Georges Lemaître: l’hypothèse de l’atome primitif, Ferdin in addition to Gonseth 2005 l’Odyssée de la Matière Les décideurs auront-ils la sagesse de continuer à soutenir l’ef as long as t de recherche fondamentale

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