historique - Laboratoire de Physique des Hautes Energies

HISTORIQUE
La physique moderne. Le 14 décembre 1900, Planck expose sa théorie de la radiation
à la Société de Physique de Berlin où il introduit des oscillateurs d'énergie finie
(quantifiée): on dit parfois que c'est le jour de la naissance de la Mécanique Quantique
(MQ). La MQ a permis à notre siècle d'expliquer beaucoup de phénomènes et de
développer des outils qui appartiennent désormais à la vie de tous les jours comme le
transistor et le laser.
Historique.
Il est utile de se faire une idée, même approximative, de l'ordre chronologique des idées
et des problèmes qui sont apparus au cours de la quête du monde physique. Grosso
modo, pour ce qui est de la Physique, on peut dire que la période des anciens jusqu'à
Galilée et da Vinci est dominée par l'approche philosophique et spéculative (font
exception les mesures géométriques et astronomiques). Particulièrement intéressants
sont les modèles cosmologiques, le problème du mouvement des corps et de leur inertie
et les idées sur la lumière. C'est Galilée qui énonce clairement la méthodologie des
sciences modernes, où l'expérience nourrit l'intuition théorique et le modèle théorique
doit être vérifié par l'expérience.
•
Anaxagore (500-428 a. C.), Empédocle (484-424 a. C.).
Selon Anaxagore, la Lune réfléchit la lumière du Soleil qui est une grosse pierre
incandescente (cela lui valut l'expulsion d'Athènes... 2000 ans avant Galilée).
La matière est composée d'éléments (spermata) immuables et impérissables. Les
changements observés dans la matière sont dûs à la séparation et recombinaison de ces
particules.
Empédocle, par contre, réduit le nombre d'éléments à 4 : terre, feu, eau et air. Le tout
existe par séparation et recombinaison de ces 4 éléments. La vision est due à un
échange (bidirectionnel!) de particules: les particules entrent dans l'oeil et sont ensuite
retournées au corps source.
•
Démocrite (460-370 a. C.)
L'Univers est constitué d'un espace vide et un nombre (presque) infini de particules
indivisibles et invisibles. La création ou annihilation de matière est impossible: c'est une
première forme de loi de conservation.
•
Aristote (384-322 a. C.)
Dans "De Coelo", la Terre est sphérique et au centre de symétrie de l'Univers. A cause
de cela, elle est immobile car elle n'a pas de raison de se déplacer vers le haut plutôt que
vers le bas ou à gauche ou à droite.
Dans "Physicorum libri VIII", on voit que le concept d'inertie est inexistant: "Tout ce
qui se déplace est poussé nécessairement par quelque chose".
•
Aristarque (~310-230 a. C.)
D'après Archimède: "... Aristarque de Samos produit un papier [avec l'hypothèse] que
les étoiles et le Soleil étaient immobiles; que la Terre révolue1 autour du Soleil en
décrivant un cercle, le Soleil étant le centre de l'orbite; [...] la sphère des étoiles fixes est
beaucoup plus grande que l'orbite de la Terre". Il étudie une méthode pour calculer les
distances des astres.
•
Archimède (287-212 a. C.)
Père de l'hydrostatique. Initiateur de la physique mathématique. Il calcule que le volume
de l'Univers d'Aristarque est de 1063 grains de sable.
•
Sénèque le philosophe (2-65), dans "Questiones naturales":
"... il faudrait déterminer si c'est le monde qui tourne autour de la Terre immobile, ou
bien si le monde est fixe et la Terre bouge... Il y a en effet des gens qui disaient que c'est
nous, sans s'en apercevoir, qui sommes entraînés par l'Univers, et que le lever du Soleil
et son coucher ne sont pas produits par le mouvement du ciel, mais c'est la Terre ellemême qui se lève et se couche..."
•
Claude Ptolémée (100-170), dans "Syntaxis mathematica" donne une
compilation des connaissances des anciens. Cosmologie complexe. Le Ciel est
sphérique en mouvement autour de la Terre sphérique. Le mouvement des planètes est
expliqué par la théorie des épicycles.
•
Roger Bacon (1214-1294) croit dans la science déductive et mathématique. Il
réalise que la science doit se baser sur les conclusions prouvées par l'observation
(phénomènes).
•
Occam en 1495, dans "Quaestiones in IV libros sententiarum" décrit le principe
de l'impetus : une flèche à laquelle est communiquée une impulsion conserve cette
impulsion sans que la cause (l'arc) l'accompagne dans sa trajectoire.
•
En 1543, dans "De revolutionibus orbium coelestium libri VI" de Mikolaj
Kopernik la Terre perd son rôle privilégié: c'est le début de la fin du géocentrisme.
Il s'agit de considérations qualitativement correctes. Il donne l'ordre des planètes dans le
système solaire. Il considère les étoiles comme très éloignées.
•
Galilée (Galileo Galilei (1564-1642))
"Dialogo sopra i due massimi sistemi" (1632).
"Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove scienze attinenti alla
meccanica e ai movimenti locali" (1638).
1
tourne en rond.
En 1610 il construit un télescope qui lui permet d'expliquer le mystère de la Voie
Lactée, il observe les dimensions finies des planètes, tandis que les étoiles restent
ponctuelles, il observe les satellites de Jupiter.
Fin du géocentrisme (principe rétracté en 1633... réhabilitation par l'Église partielle en
1757, complète en 1992!).
Avec Galilée, on a une attaque mathématique systématique du problème physique.
Principe expérimental: tout phénomène prédit par la théorie doit se retrouver en Nature
et tout phénomène observé doit se retrouver dans la théorie.
Principe d'inertie.
Principe de relativité Galiléenne: prescription pour le passage du point de vue d'un
observateur O à celui d'un observateur
O' en mouvement rectiligne et uniforme par
r
rapport rà O,ravec
vitesse
relative
v
:
r
r' = r - vt
t' = t
•
Tycho Brahé (1546-1601) effectue les mesures très précises pour corriger les
tables astronomiques (il était en charge des prédictions astrologiques pour la famille
royale danoise). Il produit un catalogue des étoiles très précis.
•
Képler (1571-1630) utilise les mesures de Tycho sur le mouvement de Mars. Il
montre que la position attendue de Mars est fausse jusqu'à 8 min d'arc, si l'on utilise la
théorie des épicycles. Il obtient l'accord avec les observations en utilisant des orbites
coperniciennes, mais elliptiques, et il énonce les 3 lois:
1) les planètes se déplacent sur des orbites elliptiques avec le Soleil à un des foyers,
2) le vecteur Soleil-planète balaie des surfaces égales en des temps égaux,
3) les carrés des périodes de révolution sont proportionnels aux cubes des rayons
moyens.
•
René Descartes (1596-1650) écrit "Principia philosophiae" en 1644.
Énoncé du principe d'inertie.
Notion de Travail et de quantité de mouvement conservée.
Étude de la réfraction de la lumière.
•
Christiaan Huyghens dans "Principia mathematica" (~1650), explique la
réflexion et réfraction de la lumière par une théorie ondulatoire.!Le principe de
Huyghens est la base de toute théorie ondulatoire. Sa théorie ondulatoire part du
principe qu'un nombre très grand (infini) d'impulsions désordonnées étaient émises par
les particules matérielles. Elles se propageaient dans un milieu, appelé éther par Fresnel.
Comme pour le son, l'oscillation du milieu est de type longitudinal. La couleur est
fonction de la fréquence d'oscillation.
Il écrit le premier traité de calculs de probabilité.
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Isaac Newton (1642-1727).
Lois de la mécanique. Force et énergie.
Avec sa théorie de la gravitation il peut dériver les lois de Képler.
Calcul infinitésimal (avec Leibniz).
Théorie corpusculaire de la lumière (optique géométrique). La lumière est constituée de
particules, de types différents pour chaque couleur.
•
Thomas Young (1773-1829) étudie le fonctionnement de l'oeil.
Il utilise le principe d'interférence de la lumière considérée comme un phénomène
ondulatoire pour expliquer le résultat de plusieurs expériences.
•
Augustin Fresnel (1788-1827) propose la transversalité de l'oscillation dans
l'éther (polarisation transverse de la lumière).
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Étude quantitative des phénomènes électriques et magnétiques par Henry
Cavendish (1731-1810), Charles A. Coulomb (1736-1806), Alessandro Volta (17451827), André Marie Ampère (1775-1836).
•
Hans Christian OErsted (1819) observe qu'un courant électrique perturbe
l'aiguille d'une boussole.
•
Michael Faraday (1831) observe l'effet inverse: un aimant en mouvement produit
un courant électrique dans une bobine. Il observe les "lignes de champ" dessinées par la
limaille de fer placées sur une feuille de papier, au-dessus d'un aimant. Introduit le
concept de champ pour les phénomènes électriques et magnétiques.
•
Even Carnot (1796-1832) propose son cycle en 1824. Son raisonnement est basé
sur le principe du fluide "calorifique".
Le point de vue "mécanique" de la chaleur avait été discuté qualitativement par
plusieurs physiciens. Le problème est attaqué quantitativement par Joule (1818-1889).
Il fait tomber un poids sur une roue de moulin et calcule l'augmentation de température
de l'eau. Il en déduit le coefficient pour transformer l'énergie mécanique en chaleur.
En 1847, Annalen der Physik refuse la publication d'un article de Helmholtz qui, en se
basant sur l'impossibilité du mouvement perpétuel, démontre la conservation de
l'énergie! (le papier sera édité sous forme de pamphlet).
Clausius (1850) et Kelvin (1851) énoncent le deuxième principe de la thermodynamique
et Kelvin propose l'échelle thermodynamique de la température en 1854.
•
Gustav Robert Kirchhoff (~1850) invente le spectroscope et étudie l'émission
des éléments chimiques. Il montre que l'émissivité d'un corps, quantité de lumière émise
par unité de temps, ou, plus précisément, la puissance émise par unité de surface est une
fonction
e = e(fréquence n, température T, nature du corps)
Un corps a aussi le pouvoir d'absorber une fraction a de l'énergie incidente. Ce
coefficient d'absorption a est un nombre pur qui est aussi fonction des mêmes
paramètres que e:
a = a(n, T, nature du corps)
Kirchhoff définit "corps noir" le cas a=1.
Sur la base de considérations de thermodynamique, il montre que
e/a = f(n, T) = fonction universelle
c. à d. qui ne dépend pas de la nature du corps. C'est d'ailleurs une des premières
formules valables de façon générale (comme F=ma). On voit que f(n, T) est l'émissivité
du corps noir eCN(n, T). Une intense activité se déclenche pour mesurer et prédire
théoriquement f.
Stefan en 1878 trouve expérimentalement la loi d'émissivité totale eCN(T) = sT4.
•
Ludwig Boltzmann (1844-1906) est le principal créateur de la théorie cinétique
des gaz et de la mécanique statistique.
D'après la théorie cinétique des gaz, l'énergie moyenne d'une molécule est
proportionnelle à T:
<E> = 1/2 kT pour chaque degré de liberté, k est la constante de Boltzmann.
Le nombre de particules dans un gaz à température T, qui ont une énergie e i est
Ê e
proportionnel à exp Ë - i ˆ¯ .
kT
•
D'autres découvertes entre 1800 et 1890 sur la lumières sont:
Les lignes sombres dans le spectre solaire
Frauenhofer
La théorie de la vision par trichromie (1807)
Young
Polarisation circulaire par le quartz (1811)
Arago
Polarisation de la lumière diffusée (1813)
Arago
Polarisation circulaire par les liquides (1815)
Biot
Photosensibilité du bromure d'argent (1826)
Balard
Effet Doppler
Doppler
Fondation de l'analyse spectrale (1859)
Kirchhoff et Bunsen
•
James Clerk Maxwell (1831-1879) propose ! (en 1864) sa théorie de
l'électromagnétisme (e.m.) basée rsur les 4 équations:
Loi de Coulomb :
—D = 4pr
r
r
r
Loi de Ampère :
— ¥ H = 4pJ / c + (∂D / ∂t) / c
r
r
Loi de Faraday :
— ¥ E = -(∂B / ∂t) / c
r
Absence de monopôle : —B = 0
r
r r
r
D = eE, B = mH , e et m caractérisent le milieu, c est la vitesse de la lumière dans le
vide. Il en déduit la possibilité d'un phénomèneroscillant: l'onde e.m.. En bref:
en absence de "source électrique" on ar r= 0, J =0.
r
r
r
r
r me ∂E
1 ∂B
— E = —B = 0
—¥E = —¥ B=
c ∂t
c ∂t
que l'on peut combiner, pour trouver le comportement des deux champs loin des
sources. En particulier on peut montrer que les équations de Maxwell impliquent un
phénomène oscillatoire, solution de l'équation d'onde:
1 ∂2 u
c
—2u - 2 2 = 0
v=
v ∂t
me
où u représente chaque composante cartésienne des champs. v est une grandeur avec
dimensions
On
r r de vitesse.
r
r robtient les solutions:
E (x ,t) = E 0 exp(i kx - iwt)
r r
r
rr
B(x ,t) = B0 exp(ikx - iwt)
r
r
r
où E 0 et B0 sont des vecteurs constants. k est aussi constant et vérifie
r w
w
k = = me
v
c
v = c me est donc la vitesse de propagation de l'onde égale à c dans le vide.
De plus les divergences dans les équations de Maxwell demandent la transversalité de
l'oscillation:
r r rr
kE = kB = 0
On peut démontrer que l'équation d'onde n'est pas compatible avec la relativité
galiléenne. Est-ce que l'éther constituerait un système de référence privilégié et absolu?
Peut-on mesurer le mouvement de la Terre par rapport à l'éther? Les expériences de
Fizeau (en 1851 et 1853) et de Michelson et Morley (en 1886) montrent qu'il est
impossible d'identifier ce système de référence privilégié par des mesures sur la
lumière.
•
G. FitzGerald (en 1891) et Lorentz (en 1895) introduisent le postulat de
contraction des longueurs pour expliquer l'expérience de Michelson-Morley.
•
Heinrich Hertz produit les premières ondes radio en 1887 et en vérifie l'origine
électromagnétique. Guglielmo Marconi construit le premier système émetteur-récepteur
radio en 1896.
•
En 1883 Wien montre que le choix possible de eCN(n, T) est limité par le
deuxième principe de la thermodynamique et peut être seulement du type:
Ên
e CN (n, T) = n3 jË ˆ¯
T
avec j une fonction.
Rayleigh et Jeans en 1899 trouvent une formule théorique pour le spectre du corps noir
qui fonctionne aux fréquences faibles, mais qui diverge à haute fréquence (catastrophe
ultraviolette). Une année après, Boltzmann utilise une machine de Carnot où la radiation
joue le rôle du fluide actif, pour calculer l'intensité d'émission du corps noir en fonction
de T et confirme la loi de Stefan: E = sT4
•
En 1895 Wilhelm Konrad Roentgen découvre les rayons X.
•
En 1897 J. J. Thomson mesure le rapport charge/masse de l'électron.
•
En 1900 Max Planck prédit correctement le spectre du corps noir par
l'introduction de l'hypothèse de quantification E = hn. h est la constante de Planck.
Comme dit auparavant, le 14-XII-1900 est la date officielle de la naissance de la MQ.
•
Lenard Philipp (1862-1947) étudie (en 1902) l'émission photoélectrique.
•
Albert Einstein (1879-1955) interprète l'émission photoélectrique et le spectre du
corps noir par la nature quantique de la radiation (1905). En 1905 il donne aussi
l'interprétation du mouvement brownien et publie le premier papier sur la relativité
restreinte. C'est aussi la mort de l'éther, qui disparaît comme moyen de transport des
oscillations e.m..
•
En 1909 Rutherford publie les résultats de son expérience sur la diffusion de
particules alpha qui ont traversé une mince feuille d'or. Il met en évidence la présence
de centres diffuseurs durs chargés positivement (les noyaux), et discute son modèle
atomique, en opposition au modèle de Thomson, pour lequel la charge positive était
diffuse.
•
1912 observations des rayons cosmiques.
•
Niels Hendrik David Bohr (1885-1962) applique en 1913 le principe de
quantification au modèle de l'atome de Rutherford.
•
1913 Observations de la désintegration b : A XZ ÆA YZ +1 + e - .
•
Otto Stern et Walther Gerlach découvrent en 1921 la quantification du moment
angulaire (le spin), J = n(h/2p). Ils utilisent un faisceau moléculaire d'Ag qu'ils font
transiter dans un champs magnétique non homogène.
•
Louis Victor de Broglie (1892-1987) introduit en 1924 la théorie des ondes de
matière.
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Werner Karl Heisenberg (1901-1976). Seulement les quantités "observables"
peuvent être prises en compte. En 1927 il introduit le principe d'indétermination:
DpDx ≥ h / 2.
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Erwin Schrödinger (1887-1961) introduit sa célèbre équation en 1926.
•
Paul Adrien Maurice Dirac (1902-1984) effectue le mariage de la MQ et de la
relativité. Il prédit l'existence du positon (antiparticule de l'électron) en 1928.
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Le phénomène de la supraconductivité est observé en 1911 par K. Omnes. La
première théorie microscopique satisfaisante est due à Bardeen, Cooper et Schrieffer
(BCS) en 1957.
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De 1929 à 1936, Bohr considère que l'énergie n'est pas conservée dans la
désintégration b. Pauli introduit le neutrino pour conserver énergie et quantité de
mouvement. Le processus est donc: A XZ ÆA YZ +1 + e - + neutrino .
En 1956 on observe le neutrino par son interaction avec la matière.
•
Le modèle des six quarks a été développé dans les années 1960. Tout d'abord on
a mis en évidence les quarks u (up), d (down) et s (strange). On a observé le c (charm)
en 1974, le b (beauty) en 1977 et t (top) en 1995.
Le "Modèle standard des particules" se développe au même temps. La découverte des
particules W et Z, médiatrices de l'interaction faible, a lieu en 1983. On cherche
toujours la particule de Higgs. On cherche aussi à expliquer pourquoi l'Univers est fait
de matière et pas d'antimatière. La connection entre physique des particules et
cosmologie se renforce.
•
1999 l'atome d'anti-hydrogène (un anti-proton et un positon) est produit au
CERN.
•
2000- Nous ne connaissons toujours pas la nature des particules. Nous ne savons
pas non plus pourquoi il y a 4 types d'interactions. L'espoir est dans la théorie des
"cordes" et dans la "multidimensionalité".