Mise en perspective premier cours

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Relativit et quanta, une mise en perspective e2phy, Clermont-Ferrand 25082014

Relativit et quanta, une mise en perspectivee2phy14, Clermont-Ferrand 25082014(Premier cours)Gilles Cohen-TannoudjiLaboratoire de recherche sur les sciences de la matire (Larsim CEA-Saclay)www.gicotan.fr

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Plan des deux cours1/Introduction: Une apoge de la physique de grand impact culturel2/Do venons nous? Trois grandes synthses mettre lactif de la physique classique qui entre en crise au dbut du 20me sicle3/ Les constantes universelles et la crise de la physique classique4/ O en sommes nous? Un nouveau grand rcit de lunivers5/ Et maintenant? Une nouvelle rvolution scientifique lhorizon?

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Introduction: une apoge de la physique de grand impact culturelEn un sicle, notre champ de vision est pass du millier dannes-lumire, au milliard dannes-lumire.Comment ltre humain, un tre si fragile, dont la vie dpasse rarement les 100 ans, une poussire de temps compare lge de lunivers, a-t-il pu, avec sa seule intelligence, se hisser une telle cohrence dans la reprsentation du monde qui lentoure, aussi bien dans linfiniment petit des atomes et des particules lmentaires que dans linfiniment grand du cosmos ?Ptolme plaait la terre au centre du monde, Copernic remplaait cette reprsentation gocentrique par une reprsentation hliocentrique. Nous savons aujourdhui que lunivers stend bien au del du systme solaire et de la voie lacte.Lumire, matire et cosmos, Discours prononc par Claude Cohen-Tannoudji en 2009, trois ans avant lannonce de la dcouverte du boson de Higgs25/08/20143Relativit et quanta, une mise en perspective

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Standing ovation au CERN, le 4 juillet 2012 lannonce de la dcouverte du boson de HiggsUn milliard dinternautes et tlspectateurs exposs cette annonce

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Robert Brout (1928-2011)Franois Englert et Peter HiggsF. Englert and R. Brout, Broken symmetry and the mass of gauge vector mesonsPhysical Review Letters , 13 9, p. 321, 31 august 1964P. Higgs, Broken symmetry and the masses of gauge bosonPhysical Review Letters,13 16, p. 508, 19 october 1964Mcanisme et boson BEH (Brout, Englert, Higgs)Franois Englert et Peter Higgs rcompenss par le prix Nobel de physique en 301325/08/2014Relativit et quanta, une mise en perspective5

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Et pourtant, le boson de Higgs au bac en 2014!!

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La qute de llmentarit et la course aux hautes nergiesLes ingalits de HeisenbergInfiniment bref et infiniment petit =infiniment grand en nergie25/08/2014Relativit et quanta, une mise en perspective7

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Vue arienne du CERN

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Le dtecteur ATLAS auprs du LHC

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Le boson BEH au LHC, et, venir le LHC nergie et luminosit doubles en 201525/08/2014Relativit et quanta, une mise en perspective12

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13Analyse complte des donnes fournies par le satellite Planck (fin 2015)

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Une mise en perspective transhistoriqueLe modle standard contient en lui-mme les questions qui lamneront un jour, trs bientt peut-tre tre dpass. On retrouve cette ide selon laquelle pour lesprit scientifique, tracer nettement une frontire, cest dj la dpasser , dans lpistmologie de Bachelard que Vincent Bontems qualifie de transhistorique dans louvrage quil a consacr ce philosophe. Cest une telle mise en perspective dont lintention nest pas de juger lhistoire des sciences partir dun point de vue pistmologique historiquement fixe et privilgi, mais partir de nimporte quel point de son histoire , quest consacre cette premire partie de notre ouvrage, qui, partant de la naissance de la science moderne au XVIIe sicle, aboutira la fin des annes soixante du XXe sicle qui ont vu natre deux nouvelles disciplines de la recherche fondamentale, la physique des particules et la cosmologie scientifiqueGC-T, Michel Spiro, Le boson et le chapeau mexicain p. 36

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2/ Do venons-nousTrois grandes synthses mettre lactif de la physique classique qui entre en crise au dbut du 20me sicle25/08/201415Relativit et quanta, une mise en perspective

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25/08/201416Relativit et quanta, une mise en perspective2.1 Premire synthse: la rvolution copernicienne, synthse de la mcanique terrestre et de la mcanique cleste

Concepts de base : point matriel et forceCinmatiqueEspace et temps absolusGomtrie euclidienne Les quatre loisRelativit galilenneForce et acclrationAction et ractionAttraction universelle

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25/08/201417Relativit et quanta, une mise en perspectiveRvolution copernicienne, naissance de la science moderne, unification de la mcanique terrestre et de la mcanique clesteOrigine du principe d'quivalence:{Deuxime loi + G = constante universelle}

{l'acclration induite par la gravitation est indpendante de la masse et de la nature des corps sur lesquels elle s'applique}

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La mcanique analytiqueLagrange unifie mathmatiquement la mcanique, en tablissant un cadre formel qui rend possible de rsoudre tous les problmes qui peuvent en relever, incluant ceux de la statique et ceux de la dynamique pour les solides et les fluides. Cette reformulation de la mcanique fait jouer un rle central un concept qui na t formalis que tardivement, et qui a fait passer au second plan celui de force, lnergie que l'on spare en nergie cintique et en nergie potentielle ; les quations du mouvement peuvent tre dduites du principe de moindre action qui avait t postul de manire heuristique par Maupertuis et qui a t formalis de faon rigoureuse par Euler, Lagrange et Hamilton. L'intrt de cette formulation de la mcanique est d son caractre systmatique : elle fournit une authentique mthodologie, comprenant des rgles strictes, qu'il est suffisant d'observer rigoureusement pour driver les quations du mouvement de tout systme matriel. GC-T, Michel Spiro, Le boson et le chapeau mexicain p. 42

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2.2 Deuxime synthse: la thermodynamique statistique, synthse de latomisme et de la mcaniquenergie et entropie et les deux principes de la thermodynamique (Carnot et Clausius) (immatrialit du calorique)Thorie cintique (ou molculaire) de la matire (Maxwell et Boltzmann)Thermodynamique statistiqueAtomisme : les atomes seraient les points matriels dont le mouvement obit aux lois de la mcaniqueProblme de l'observabilit des atomesEntropie et flche du temps

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2.3 Troisime synthse: la thorie lectromagntique de la lumire de Maxwell, synthse de llectromagntisme et de loptiqueLa thorie lectromagntique de la lumireFaraday et le concept de champSynthse de l'lectricit, du magntisme et de l'optique dans la thorie de MaxwellReformulation de la thorie et vrification exprimentale par HertzTriomphe de la conception ondulatoire de la lumireLe modle de l'ther et ses difficults

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2.4 Bilan de la conception de la matire la fin du 19e sicle

Succs de la thorie de la gravitation universelleAxiomatisation de la mcanique rationnelle (mcanique analytique et formulation lagrangienne)Deux composantes dans la matire :Les atomes ou molcules, assimils des points matriels de masse et ventuellement de charge invariableL'ther, milieu hypothtique aux tranges proprits suppos porter les ondes lectromagntiques ou lumineusesConception classique de l'espace et du tempsConception subjectiviste de la flche du temps (dmon de Laplace)

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Des problmes non rsolusAvance du prihlie de MercureEffet photo-lectriqueLoi du rayonnement du corps noirChaleur spcifique des corps poly-atomiquesImpossibilit dobserver directement les atomes ou molculesIdentit des atomes dune mme espceImpossibilit de mettre en vidence le mouvement relativement lther

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25/08/201423Relativit et quanta, une mise en perspective

Thorie lectromagntique de la lumiree, c(Faraday, Maxwell, Hertz)

Thorie de la gravitation universelleG(Galile, Newton)

Mcanique analytique(Lagrange, Hamilton)Thorie cintique de la matire,Thermodynamique statistiquek(Maxwell, Boltzmann)

Leffet photolectrique?Le rayonnement du corps noir?Rcession du prihlie de Mercure?Problme de lther?

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3/ Les constantes universelles et la crise de la physique classique25/08/201424Relativit et quanta, une mise en perspective

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3.1 Les constantes universellesG, c, k, h : quatre constantes universelles dcouvertes ou redcouvertes au dbut du 20me sicleDfinissent les units fondamentalesTraduisent des principes fondamentaux de limitationStructurent, par leur prise en compte sparment ou par paires, le cadre gnral de la physique thorique qui rpond la crise de la physique classique25/08/201425Relativit et quanta, une mise en perspective

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25/08/201426Relativit et quanta, une mise en perspectiveLes chelles de Planck (1899) Quatre constantes universelles dimensionnes: h,k,G,c, partir desquelles Planck dtermine des grandeurs fondamentales, appeles chelles de Planck

3.2 Les chelles de Planck

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La rvolution scientifique du 20me sicleG, c, k, h : quatre constantes universelles dcou