Energie et matière

Yves Schutz, SUBATECH (Nantes) & CERN (Genève)

E = mcE = mc22EE mm== cc22

Les concepts de la physique contemporaine n’ayant, en général, que peu de rapport avec le bon sens commun et s’appuyant sur un langage mathématique ésotérique, les physiciens sont

souvent vus par le grand public comme des initiés d’une secte occulte qui éprouvent les plus grandes

difficultés à faire part de leurs travaux à leurs contemporains.

La physique s’explique simplement et juste avec les mains ...

Masse

La masse est une propriété fondamentale de la matière: elle mesure l’inertie

Liège

Plomb

Le poids représente la force exercée par l’attraction gravitationnelle de la terre sur la matière (F = m g)

Un astronaute conserve la même masse sur la lune que sur la terre, mais son poids change : la masse est invariante…

m = m0 γ

À 100 km/h γ = 1,000000000000004

Ou presque … la relativité :

Énergies

L’énergie prend des formes multiples

Mécanique

Electrique

ChimiqueThermique

CinétiquePotentielle

L’énergie se manifeste à nous lorsqu’elle se transforme d’un type en un autre: l’énergie se conserve

Énergie potentielle Énergie cinétique

Une quantité phénoménale d’énergie est emprisonnée dans la matière et dans le vide …

T. Young41773-1829

Energie et matière

E = mcE = mc22

De quoi est fait la matière ?Quelles forces assurent sa cohésionQuelle est son origine ?

10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

L’infiniment grand et l’infiniment petit

• Une notation raccourcie pour exprimer des valeurs très grandes ou très petites sans aligner les zéros :– La masse de l’atome : 0,00000000000000000000000000166 kg – La masse de la terre : 5977000000000000000000000 kg

1,66 x 10 - 27 kg

5,977 x 10 24 kg

10+ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

1

0

10+ 0 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

10

1

10+ 0 1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

100

2

10+ 0 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

1000

Kilo(K)3

10+ 0 1 2 3 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

10000

4

10+ 0 1 2 3 4 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

100000

5

10+ 0 1 2 3 4 5 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

1000000

Mega(M)6

10+ 0 1 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

10000000

7

10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

100000000

8

10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

1000000000

Giga(G)9

10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

10000000000

10

10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

100000000000

11

10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

1000000000000

Tera(T)12

10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

10000000000000

13

10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

100000000000000

14

10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 21 22 23 24 25 26

10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

100000000000000000000

20

10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 22 23 24 25 26

10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

1000000000000000000000

21

10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 23 24 25 26

10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

10000000000000000000000

22

10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 24 25 26

10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

100000000000000000000000

23

10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

100000000000000000000000000

26

10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

10- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150

1

10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

10- 0 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

0,1

1

10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

10- 0 1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

0,01

2

10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

10- 0 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

0,001

Milli(m)3

10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

10- 0 1 2 3 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

0,0001

4

10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

10- 0 1 2 3 4 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

0,00001

5

10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

10- 0 1 2 3 4 5 7 8 9 10 11 12 13 14 15

0,000001

Micro()6

10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

10- 0 1 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13 14 15

0,0000001

7

10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

10- 0 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15

0,00000001

8

10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11 12 13 14 15

0,0000000001

10

10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 15

0,00000000000001

14

10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

0,000000000000001

Femto(f)15

De quoi est fait la matière ?

Toute matière est constituée à partir de 4 éléments fondamentaux.

Empedocle450 av. JC

Amour et Haine sont les 2 forces qui unissent et désunissent les 4 éléments.

Air

Eau

Terre

Feu

Democrite400 av. JC

Première conception atomiste du monde physique

"... la nature des choses perceptibles consiste en petites particules infinies en nombre ... les particules étant si petites qu'elles nous sont invisibles, et elles se présentent sous une infinité de formes et de tailles. C'est à partir de leur combinaison et de celle des éléments que naissent les corps visibles et perceptibles ..."

Eau Fer

J. Dalton1803

La nouvelle conception atomiste du monde physique

Les atomes des différents éléments varient en taille et en

masse. A chaque élément correspond un type d’atome

propre.

D. Mendeleev1869

La classification des éléments

Les éléments sont classés par ordre croissant de leur masse atomique en allant à la ligne de telle sorte

que les atomes ayant des propriétés semblables se trouvent l'un en dessous de l'autre, formant ainsi

une famille.

J.J.Thomson 1897

Électrons chargés négativement

Matière chargée positivement

Découverte de l’ électron. L’atome est électriquement neutre.

Électrons chargés négativement

Noyau chargé positivement

Mnoyau = 2000 Mélectron

Angström = 10-10 m 10 Fermi = 10-14 m

Un noyau de la taille d’une tête d’épingle verrait ses électrons à 10 m, et la même tête d’épingle de matière

nucléaire pèserait autant que 23 fois la Tour Eiffel

E. Rutherford1911

Le modèle planétaire

N. Bohr1913

L’atome devient quantique

Noyau chargé positivement

Orbites quantifiées des électrons

J. Chadwick1932

La découverte du neutron

+proton

neutron

Les masses du proton et du neutron sont identiques : 1,610-27 kg

La densité du noyau est de 230 000 tonnes par mm3 ou …71016 Joules par mm3 (consommation journalière en

France)

M. Gell-Mann1961

Les quarks : composants ultimes de la matière

Deux types de quarks (u & d) avec 3 couleurs différentes

10-8 mADN

10-10 mAtome

10-14 mNoyau

10-15 mQuark

La structure de la matière

La matière n’est que du vide (99.999999999999%): Si n,p avaient la taille d’une bille, les e, q seraient plus fins qu’un cheveu et la taille de l’atome serait celle de 30 terrains de football.

Les particules élémentaires

Toute la matière présente dans l’univers aujourd’hui est constituée à partir de 4 particules élémentaires.

Le Big Bang en a créé beaucoup plus qui n’ont vécu que l’espace d’un instant:

Ces éphémères particules sont recréées par les physiciens à l’aide des accélérateurs de particules.

Quelles forces assurent la cohésion de la matière?

4 interactions

graviton photon W, Z gluon

Les interactions

Toutes les forces de la nature dérivent de quatre interactions fondamentales.

A chaque interaction est associé un type de particule ( particules de matière).

Gravitation-nelle

Électroma-gnétique Faible Forte

I. Newton1687

110-510-310-38

P. Dirac1928

L‘anti-matière

Pour toute particule existe une anti-particule identique à la particule mais ayant une charge opposée.

électron (e-) et positon (e+)

(i γμδμ-m) ψ=0

Le Modèle Standard

• La théorie des briques de l’univers et des forces qui les gouvernent:

12 constituants élémentaires

4 interactions

graviton photon W, Z gluon

Le vide n’est pas le néant !

W. Heisenberg1927

ΔEΔt = ħ

Monde physique

Monde virtuel

A. Einstein1905

L’équivalence masse - énergie

E=mc2

Énergie (Joules)

Masse (kilo gramme)

Vitesse de la lumière (mètres par seconde)

3108 m/s

Une personne de 60 kg se déplaçant à 5 km/h : Etotale = Ecinétique + mc2

6 Joules 51018 Joules

L’énergie tapie au coeur de l’atome …

… libérée par réaction de fusion (p+p->D+e++ν)

L’énergie de 1 tonne d’hydrogène équivaut à celle obtenue à partir de 1 million de tonnes de

charbon

P

p

np

n

np n

Mp+Mn

pn

> MD

D

+ énergie

Annihilation - matérialisation

Matière et anti-matière s’annihilent en libérant de l’énergie : e++e- -> γγ (Tomographie par émission de positrons)

Matière et anti-matière sont créées par paires à partir d’énergie : γ-> e+

+e- (création de nouvelles particules dans les accélérateurs)

Quelle est l’origine de la matière ?

Toute la matière présente dans notre univers a été créée au moment du

Big Bang …

… à partir du vide

1032°

10-43s

Au commencement, l’Univers était parfaitement symétrique :

Les 4 interactions avaient exactement la même force ;Toutes les particules élémentaires avaient une masse strictement nulle ; L’espace-temps était identique dans toutes les directions.

L’Univers, en se dilatant, refroidit …

… la symétrie est brisée une première fois : la gravitation et la force électronucléaire se scindent pour donner naissance à l’espace-

temps et à la matière.

Les interactions forte et électrofaible se scindent en libérant une quantité

phénoménale d’énergie(1095 Joules/m3) …

L’inflation dilate l’Univers de la taille d’un proton à celle d’une orange.

Les particules de matière et le désordre sont créés à partir du vide.

L’unification des forces

J.C. Maxwell1860

1027 °

Particules de matière et anti-matière

Quarks u & d Electron/neutrino

Particules messagères des interactions

Gluons Photon

Annihilation de la matièreCréation de matière

10-32s

Victoire de la matière sur l’anti-matière …

Pour chaque 10.000.000.000 particules d’anti-matière sont créées 10.000.000.001 particules de matière. Toute la matière de l’Univers est

créée à ce moment.

1

10-6s

Particules de matière

Neutron & Proton Electron/neutrino

Particule messagère de l’interaction EM

Photon

Mésons

Formation des neutrons et protons

1013 °

3mn

108 °Fusion nucléaire

He

n

p

n

p

n

p

DD

p

n

Particules de matière

Noyaux Hydrogène, Deuterium, Helium

Electron/neutrino

Particule messagère de l’interaction EM

Photons

p D He75% 25%

Particules de matière

Atome neutrino

Particule messagère de l’interaction EM

Photons

300.000 ans

104 °Formation des atomes

Fuit Lux

Création et annihilation Baryongenèse

Formation des noyaux

Baryongenèse

Formation des atomes

Répartition de l'énergie dans l'Univers

73%

23% 4%

atomes

matière sombre

énergie sombre

Les jeux sont faits

La gravitation et l’énergie sombre mènent la danse

109 ans

3 °K

109 ans

3 °K

109 ans

3 °K

109 ans

3 °K

109 ans

3 °K

109 ans

3 °K

10109 ans

3 °K

14,99109 ans

3 °K

Vérification expérimentale ?

La théorie fait les derniers pas, les plus difficiles, jusqu’à l’instant zéro de l’Univers … et avant !

Puisqu’il est certainement impossible de recréer un Univers, la validité des théories proposées ne pourra être vérifiée que par leur capacité à prédire l’évolution de l’Univers.

Les développements techniques permettent cependant aujourd’hui de recréer en laboratoire les conditions qui règnaient tout juste 1 μs (0,000001 s) après la naissance de l’Univers.

Les questions ouvertes

• Comment les particules ont-elles acquis leur masse ? mγ=0, mt = 340.000 me !

• Où est passée l’anti-matière ?• Quelle est la nature du vide ? De la

matière sombre ? De l’énergie sombre ?• Quelle est la forme originelle de la

matière ?• Pourquoi l’univers stable est-il incolore ?

ALICE

• Le club de ceux qui fracassent des noyaux atomiques les uns sur les autres …– Pourquoi ? Tenter de dissoudre le vide pour former une

soupe de quarks et de gluons et ainsi remonter le temps– Comment ? Chauffer et comprimer la matière– Observer un phénomène qui

• dure dans une seconde autant qu’un éclair dans les 15 milliards d’années écoulées depuis la naissance de l’univers,

• crée une température égale à 100.000 fois celle régnant au cœur du soleil (15M °) et

• compacte la matière de façon telle que la pyramide de Kheops tiendrait dans une tête d’épingle.

Recréer la “couleur”

Des physiciens découvrent la « soupe primordiale » de l’Univers…

On a fait péter des noyaux de quarks et de

gluons

Ta soupe va

refroidir

Le Progrès 11/02/200

Remontons le temps

• En chauffant le vide et créant ainsi dans un volume étendu une densité d’énergie suffisante

• Les collisions entre ions lourds accélérés à la vitesse de la lumière fournissent les « calories » nécessaires

Compression Chaleur Plasma de quarks et gluons

2. L’énergie de la collision se matérialise sous forme de quarks et gluons

1. Les noyaux accélérés vont subir une collision frontale

Le mini Big Bang

3. Les quarks et gluons interagissent sous l’effet de l’interaction forte: la matière tend vers l’équilibre

4. Le système de dilue et se refroidit

5. Quarks et gluons condensent pour former des hadrons

Mini Big Bang : le film

Accélérer des noyaux

• Les noyaux (atomes débarrassés de leur cortège d’électrons) sont accélérés par un champ électrique

• La trajectoire des noyaux est courbée par des aimants dipolaires

• Le flux des noyaux est focalisé par des aimants quadrupolaires

LHC: champion du monde• 27 km de circonférence• 40 m sous terre• Cryogénie à 1.9 K

×10

12• Accélère p @ 7×1012 eV et ions @ 2,76×1012 eV (99,999993% c)• Une collision libère jusqu’à 0,2×10-3 Joules, T=1,000×109 K • ~108 ions croisent 108 ions 106 fois par seconde• Seulement 8.000 collisions chaque seconde, dont 1% produisent des

événements « extraordinaires » 

Observer le phénomène– Imaginons une planète gelée où l’eau n’existe qu’à l’état de

glace ; – La glace n’est présente que sous forme quantifiée : les glaçons

; – Des théoriciens soutiennent que la glace peut exister, dans

certaines conditions de température, sous forme liquide ;– La seule façon de chauffer la glace est d’écraser les glaçons les

uns contre les autres ; – Les expérimentateurs fabriquent donc deux gros paquets de

glaçons contenant chacun 100 millions de glaçons ; – Ils frappent ces paquets l’un contre l’autre 1 million de fois par

seconde ; – Ils arrivent ainsi à réaliser chaque seconde 8.000 collisions

glaçon-glaçon ;– L’observateur qui est chargé de raconter ce qui se passe est

installé sur autre planète éloignée autant que Mars l’est de la Terre …

En divisant les dimensions par un facteur 1013, nous devenons l’observateur du LHC.

Imaginons

Poids 10,000 tDiamètre 16 mLongueur 25 mChamp magnétique 0.4 Tesla

10 000