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  • 1. Le paradigme de la lumière, fil conducteur des modèles standards LISHEP 2015 29/07/2015 Gilles Cohen-Tannoudji Laboratoire de Recherche Sur les Sciences de la Matière LARSIM CEA-Saclay
  • 2. molécule atome noyau nucléon quark électron Terre système solaire amas super amas cosmos macromolécule tissus organe organisme groupe social galaxie 29/07/2015 2 La lumière, fil conducteur des modèles standards Infiniment grand Infiniment petit Infiniment complexe Hiérarchie de structures emboîtées
  • 3. • 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 29/07/2015 3 La lumière, fil conducteur des modèles standards Les trois infinis
  • 4. • 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 29/07/2015 4 La lumière, fil conducteur des modèles standards La notion d’interaction
  • 5. • 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 29/07/2015 5 La lumière, fil conducteur des modèles standards Les interactions fondamentales
  • 6. 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 ?
  • 7. 29/07/2015 7 La lumière, fil conducteur des modèles standards Théorie électromagnétique de la lumière e, 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?
  • 8. 29/07/2015 8 La lumière, fil conducteur des modèles standards
  • 9. 29/07/2015 9 La lumière, fil conducteur des modèles standards L’interaction électromagnétique
  • 10. 29/07/2015 10 La lumière, fil conducteur des modèles standards Le photon
  • 11. 29/07/2015 11 La lumière, fil conducteur des modèles standards
  • 12. 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 2p : D D DA E T h    2p D D DA E T h    2p 2 h A E T p D  D D   29/07/2015 12 La lumière, fil conducteur des modèles standards Le quantum d’action
  • 13. D D D D D D D D 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 D D  D D  D D  D D  29/07/2015 13 La lumière, fil conducteur des modèles standards Les inégalités de Heisenberg
  • 14. 14 L’accélérateur du CERN à Genève29/07/2015 La lumière, fil conducteur des modèles standards
  • 15. 15 L’intérieur du détecteur ATLAS au LHC 29/07/2015 La lumière, fil conducteur des modèles standards
  • 16. • 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 29/07/2015 La lumière, fil conducteur des modèles standards 16 Einstein et la théorie de la relativité
  • 17. 29/07/2015 La lumière, fil conducteur des modèles standards 17 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. 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
  • 19. 19 • 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 29/07/2015 La lumière, fil conducteur des modèles standards
  • 20. 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 compris b : 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 lumière f : La lumière s’est échappée sous forme de rayonnement de fond cosmologique, révélant les grandes structures de l’univers. 29/07/2015 La lumière, fil conducteur des modèles standards
  • 21. 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 29/07/2015 La lumière, fil conducteur des modèles standards
  • 22. 22 La carte angulaire du rayonnement de fond cosmologique révèle les inhomogénéités de l’univers primordial 29/07/2015 La lumière, fil conducteur des modèles standards
  • 23. 2329/07/2015 La lumière, fil conducteur des modèles standards
  • 24. 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 ? 29/07/2015 La lumière, fil conducteur des modèles standards 24
  • 25. Pourquoi faisons-nous tout cela? 29/07/2015 La lumière, fil conducteur des modèles standards 25
  • 26. The Higgs boson 29/07/2015 La lumière, fil conducteur des modèles standards 26
  • 27. 29/07/2015 La lumière, fil conducteur des modèles standards 27 Analyse complète des données fournies par le satellite Planck (fin 2015)
  • 28. Première photo depuis la surface de la comète Tchouri transmise par le robot Philae le 13/11/2014 29/07/2015 La lumière, fil conducteur des modèles standards 28
  • 29. « 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. » 29/07/2015 La lumière, fil conducteur des modèles standards 29
  • 30. Un nouveau grand récit de l’univers 29/07/2015 La lumière, fil conducteur des modèles standards 30 « 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)
  • 31. 29/07/2015 La lumière, fil conducteur des modèles standards 31 "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
  • 32. « Par l’espace, l’univers me comprend et m’engloutit comme un point. Par la pensée, je le comprends » Pascal, Les pensées 29/07/2015 La lumière, fil conducteur des modèles standards 32