Conférence grand public Marseille CPPM 230416

1. Où en sommes-nous de la réconciliation de
la relativité et de la quantique?
Marseille 23/04/2016
Gilles Cohen-Tannoudji
Laboratoire de recherche sur les sciences de la matière
(LARSIM CEA Saclay)
www.gicotan.fr

2. Où en sommes-nous?
• Une nouvelle apogée de la physique
• Le boson BEH
• Le dépassement du modèle cosmologique du
‘Big Bang’
• Le lieu de la réconciliation, le vide quantique?
23/04/2016
Où en sommes-nous de la réconciliation de
la relativité et de la quantique?
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3. 23/04/2016
Où en sommes-nous de la réconciliation de
la relativité et de la quantique?
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L’apogée de la physique classique au début du XXe siècle

4. 23/04/2016
Où en sommes-nous de la réconciliation de
la relativité et de la quantique?
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5. • Dans les expériences du LHC, avec deux photons nous avons
pu voir le boson BEH grâce à qui la masse est venue à la
matière, une picoseconde après le « big bang »
23/04/2016
Où en sommes-nous de la réconciliation de
la relativité et de la quantique?
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6. 23/04/2016
Où en sommes-nous de la réconciliation de
la relativité et de la quantique?
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L’équation d’Einstein sur une locomotive relativiste
(Merci à Gérard et Marie-Françoise Rumèbe pour la photo)

7. 23/04/2016
Où en sommes-nous de la réconciliation de
la relativité et de la quantique?
7
Ondes gravitationnelles : une hypothèse majeure d’Einstein
confirmée (février 2016)

8. 23/04/2016
Où en sommes-nous de la réconciliation de
la relativité et de la quantique?
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 ?
Une brève histoire des modèles standards de la
physique des particules et de la cosmologie
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9. Où en sommes-nous?
• Une nouvelle apogée de la physique
• Le boson BEH
• Le dépassement du modèle cosmologique du
‘Big Bang’
• Le lieu de la réconciliation, le vide quantique?
23/04/2016
Où en sommes-nous de la réconciliation de
la relativité et de la quantique?
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10. 23/04/2016
Où en sommes-nous de la réconciliation de
la relativité et de la quantique?
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11. 23/04/2016
Où en sommes-nous de la réconciliation de
la relativité et de la quantique?
11
Le boson BEH, la clé de voûte du modèle standard

12. Où en sommes-nous?
• Une nouvelle apogée de la physique
• Le boson BEH
• Le dépassement du modèle cosmologique du
‘Big Bang’
• Le lieu de la réconciliation, le vide quantique?
23/04/2016
Où en sommes-nous de la réconciliation de
la relativité et de la quantique?
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13. • Le modèle cosmologique du « big bang »
– Le modèle « simple » du big bang (Lemaître,
Friedman, Robertson, Walker)
• Récession des galaxies lointaines, loi de Hubble
• Abondance relative des éléments léger (nucléosynthèse
primordiale)
• Rayonnement diffus de fond cosmologique (RDFC) à environ
3 degrés Kelvin, détecté en 1965
• Constante cosmologique mise à zéro
– Les difficultés du modèle du big bang
• Trop grande homogénéité du RDFC (problème d’horizon)
• Problème de la platitude spatiale de l’univers (problème
d’ajustement fin)
• Scénario de l’inflation imaginé pour lever ces difficultés
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Où en sommes-nous de la réconciliation de
la relativité et de la quantique?
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14. 23/04/2016
Où en sommes-nous de la réconciliation de
la relativité et de la quantique?
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15. 23/04/2016
Où en sommes-nous de la réconciliation de
la relativité et de la quantique?
15
Carte du rayonnement diffus de fond cosmologique (Planck 2015)

16. 23/04/2016
Où en sommes-nous de la réconciliation de
la relativité et de la quantique?
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17. 23/04/2016
Où en sommes-nous de la réconciliation de
la relativité et de la quantique?
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18. 23/04/2016
Où en sommes-nous de la réconciliation de
la relativité et de la quantique?
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a(t)
t
Inflation
« Big-bang »
Re-inflation
tBB
( ) BBa t t t 
( ) exp( / )Pa t t L
( ) exp( / )a t t L
S’il n’y avait pas de
constante cosmologique
S’il n’y avait pas d’inflation

19. 23/04/2016
Où en sommes-nous de la réconciliation de
la relativité et de la quantique?
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Le nouveau grand récit de l’univers

20. Où en sommes-nous?
• Une nouvelle apogée de la physique
• Le boson BEH
• Le dépassement du modèle cosmologique du
‘Big Bang’
• Le lieu de la réconciliation, le vide quantique?
23/04/2016
Où en sommes-nous de la réconciliation de
la relativité et de la quantique?
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21. 23/04/2016 21
« Si l’on veut éviter cette difficulté, il faut fonder la théorie sur les
champs et les lois de champ, au lieu de la fonder sur les forces
d’interaction. Ceci nous amène à appliquer les méthodes statistiques de
la théorie des quanta aux champs, c’est-à-dire à des systèmes à une
infinité de degrés de liberté. Bien que les théories faites jusqu’à présent
se soient limitées aux équations linéaires qui, comme nous le savons
par les résultats de la relativité générale, sont insuffisantes, les
complications que ces très ingénieuses tentatives ont rencontrées
jusqu’à présent sont déjà terrifiantes. Elles s’élèveront certainement
jusqu’à la hauteur du ciel, si l’on veut satisfaire aux exigences de la
théorie de la relativité générale, dont le bien-fondé fondamental n’est
mis en doute par personne. »
Où en sommes-nous de la réconciliation de
la relativité et de la quantique?
A. Einstein, La physique et la réalité Franklin
Institute Journal, vol. 221, n° 3, mars 1936,

22. 23/04/2016 22
Où en sommes-nous de la réconciliation de
la relativité et de la quantique?
• Les échelles de
Planck (1899)
Quatre constantes
universelles
dimensionnées:
h,k,G,c, à partir
desquelles Planck
détermine des
grandeurs
fondamentales,
appelées échelles
de Planck
Les échelles de Planck
3 35
5 43
5 19
4
/ 10
/ 10
/ 10
/
/
P
P
P
P P
P P P
l G c m
t G c s
E c G GeV
T E k
A l t G c


 
 
 

 

23. 23/04/2016
Où en sommes-nous de la réconciliation de
la relativité et de la quantique?
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Le cube des théories

24. 23/04/2016
Où en sommes-nous de la réconciliation de
la relativité et de la quantique?
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• « D'où l'on peut voir qu'il y autant
de différence entre le néant et
l'espace vide, que de l'espace vide
au corps matériel ; et qu'ainsi
l'espace vide tient le milieu entre le
matière et le néant. C'est pourquoi
la maxime d'Aristote dont vous
parlez, "que les non-êtres ne sont
point différents", s'entend du
véritable néant, et non pas de
l'espace vide. » Réponse de Blaise
Pascal au très révérend père Noël, recteur
de la Société de Jésus, à Paris, 29 octobre
1647 Pascal, Oeuvres complètes, La Pléiade,
p 384, ed. 1998

25. 23/04/2016
Où en sommes-nous de la réconciliation de
la relativité et de la quantique?
25
Qu’est-ce que le vide en théorie quantique des
champs?
• Qu’est-ce qu’un champ quantique?
– Un champ relativiste défini en chaque point de
l’espace-temps
– Un champ quantique d’opérateurs d’émission ou
d’absorption d’un quantum d’énergie-impulsion (une
particule ou une antiparticule)
• Dualité ondes/particules
– Ondes dans l’espace-temps
– Particules dans l’espace des états du champ définis
par le nombre de quanta d’énergie-impulsion
• Le vide quantique: état fondamental (d’énergie
minimum) : état à zéro particule.

26. 23/04/2016
Où en sommes-nous de la réconciliation de
la relativité et de la quantique?
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• Conséquences des inégalités de Heisenberg
– Quand le nombre de particules est bien déterminé,
par exemple dans le vide quantique où ce nombre est
nul, l’état spatio-temporel du champ est indéterminé
– Quand l’état spatio-temporel du champ est bien
déterminé, par exemple dans un état cohérent tel
qu’il est produit avec un laser, le nombre de
particules est indéterminé
– Dans l’espace-temps, le vide quantique est assimilable
à un milieu complexe, siège de fluctuations du ou des
champs quantiques
– Dans le cas où ces fluctuations ne se moyennent pas à
zéro, le vide peut être assimilé au milieu « possédant
une certaine dissymétrie » (Curie), dans lequel peut
naître le phénomène de l’émergence de la masse,
c’est ce qui se produit avec le mécanisme BEH

27. 23/04/2016
Où en sommes-nous de la réconciliation de
la relativité et de la quantique?
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Ces constatations ont amené la Physique quantique contemporaine à devenir de plus
en plus consciente du fait que ce que nous nommons le vide n'est pas du tout un
milieu dénué de propriétés physiques, mais bien plutôt une sorte d'immense
réservoir d'où peuvent émerger au niveau microphysique des unités ou des paires
corpusculaires et où aussi ces unités et ces paires disparaissant du niveau
microphysique peuvent s'engloutir.
Si cette conception est exacte (et il semble bien aujourd'hui qu'elle le soit), il y
aurait trois niveaux de la réalité physique :
- le niveau microphysique ou quantique qui est celui des molécules, des atomes,
des noyaux ou plus généralement des particules élémentaires, qui est le domaine
propre de la Physique quantique ;
- le niveau macrophysique des phénomènes macroscopiques directement
observables à notre échelle qui est le domaine propre de la Physique dite
"classique";
- le niveau le plus profond, hypomicrophysique ou subquantique pourrait-on dire,
constitué par ce "vide" réservoir immense d'énergie sous-jacente dont nous
ignorons encore presque tout. (,,,)
L'expression "substratum universel" (ou une autre de ce genre) serait meilleure.
J'emploierai cependant habituellement le mot vide couramment usité, mais vous
devez imaginer qu'il doit être mis entre guillemets ("le vide'').
Louis de Broglie, cours à la Sorbonne 1957-1958

28. 23/04/2016
Où en sommes-nous de la réconciliation de
la relativité et de la quantique?
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Nous ne savons pas si, quand un boson apparaît au niveau microphysique sortant du
"vide", il existait déjà dans ce substratum à l'état préformé, ou s'il est "créé" au
moment de son apparition. Nous ne savons pas davantage si, quand un boson disparaît
du niveau microphysique pour s'engloutir dans le "vide", il subsiste dans ce substratum
dans un état indécelable ou s'il est "détruit" au moment de sa disparition.
On est évidemment amené à penser que toute particule, même quand elle nous
paraît isolée, est en contact avec un milieu subquantique caché qui constitue une
sorte d'invisible thermostat ..... La particule échangerait ainsi continuellement de
l'énergie et de la quantité de mouvement avec ce milieu subquantique.
Dès qu'on a admis l'existence d'un "milieu subquantique" caché, on est amené à se
demander quelle est la nature de ce milieu. Il a certainement une nature très
complexe. En effet, il doit d'abord ne pas pouvoir servir de milieu de référence
universel, ce qui serait en opposition avec la théorie de la Relativité. De plus nous
verrons qu'il se comporte non pas comme un thermostat unique, mais plutôt
comme un ensemble de thermostats dont les températures seraient reliées aux
énergies propres des diverses sortes de particules.

29. 23/04/2016
Où en sommes-nous de la réconciliation de
la relativité et de la quantique?
29
Qu’est-ce que la masse?
2
2
E
m

p
énergie cinétique
En mécanique classique, il n’y a pas de
matière sans masse; il n’y a pas d’énergie sans
mouvement; il n’y a pas de limite à la vitesse
à laquelle on peut accélérer une particule
En mécanique relativiste, il n’y a pas de
matière sans énergie; même au repos, une
particule de masse m a une énergie
(potentielle) égale à mc2 (c est la vitesse de la
lumière); la vitesse de la lumière est
indépassable; la masse d’une particule peut
être nulle, auquel cas, cette particule se
déplace, comme la lumière quelque soit le
repère, à la vitesse c
2 2 2 2 4
2
0
2
2
2
0
;
1
;
0
0
v
v v v v
E c m c
E mc
m
m
v
c
E m c m
m v c
m E c
 
  


 
  
  
p
p
p v
p

30. 23/04/2016
Où en sommes-nous de la réconciliation de
la relativité et de la quantique?
30
Le paradigme du chapeau
mexicain

31. Une salle emplie de physiciens
bavardant tranquillement est
l’analogue d’un espace empli de
champ de Higgs
Un scientifique renommé entre
dans la salle, créant une
perturbation quand il se déplace
et attire à chaque pas un groupe
d’admirateurs
Ceci accroît la résistance à son
mouvement; en d’autres termes,
il acquiert une masse tout comme
les particules se déplaçant dans le
champ de Higgs
Si une rumeur traverse la salle
Elle provoque le même type
attroupement , mais cette fois
entre les scientifiques eux-
mêmes: un tel attroupement est
l’analogue de la particule de Higgs
Mécanisme et boson de Higgs en bande dessinée
23/04/2016
Où en sommes-nous de la réconciliation de
la relativité et de la quantique?
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32. 23/04/2016
Où en sommes-nous de la réconciliation de
la relativité et de la quantique?
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33. 23/04/2016
Où en sommes-nous de la réconciliation de
la relativité et de la quantique?
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34. 23/04/2016
Où en sommes-nous de la réconciliation de
la relativité et de la quantique?
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35. 23/04/2016
Où en sommes-nous de la réconciliation de
la relativité et de la quantique?
35

36. 23/04/2016
Où en sommes-nous de la réconciliation de
la relativité et de la quantique?
36
Le super amas Laniakea

37. 23/04/2016
Où en sommes-nous de la réconciliation de
la relativité et de la quantique?
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La triple quantification: la complémentarité généralisée

38. 23/04/2016
Où en sommes-nous de la réconciliation de
la relativité et de la quantique?
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Le paysage de la réconciliation