Transcript Introduction à l`histoire et à l`épistémologie de la

Introduction à l’histoire et à
l’épistémologie de la physique
• Lectures
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physique générale
histoire de la physique
regards de grands physiciens
romans scientifiques
La mécanique de Newton et Galilée
Qu’est ce que la lumière ?
La révolution relativiste
La révolution quantique
D.Flick, INAPG 2006
Archimède 287-212 avant JC
observation / expériences
 induction
loi générale : « Tout corps … »
 déduction
prévisions (parfois explication)
Eureka, Qu’on me donne un point d’appui et je soulèverai le monde
Archimède 287-212 avant JC
observation / expériences
 induction
loi générale : « Tout corps … »
 déduction
prévisions (parfois explication)
Source : Histoire de la physique et des physiciens J.C.Boudenot
Une pierre …> Tout corps / gd nbr d ’observations,conditions variées/ aucune observation contraire (cygne noir)
Archimède 287-212 avant JC
Hieron: 2ème roi de Syracuse (or >argent 2 fois moins dense)
Galilée 1564-1642
si l’on éliminait complètement la résistance du milieu, tous les
corps tomberaient à la même vitesse
contrairement à Aristote :un mouvement (rectiligne uniforme) est ‘comme rien’,
le mouvement ne s’arrête pas avec l’action : principe d’inertie
Galilée 1564-1642
Copernic >Ptolémé
Galilée 1564-1642
dialogues entre Simplicio , Sagredo et Salviati
?
Salviati : une pierre lâchée du plus haut d’un mât, tandis que la galère vogue avec
toute la force et la vitesse possible, ne tombe point ailleurs qu’elle ne le ferait si la
même galère était arrêtée et immobile
ptoléméen, copernicien, intelligent sans a priori
Galilée 1564-1642
universalité des lois de la physique

principe de relativité
« eppur si muove »
Le leitmotiv que je reconnais dans
l’œuvre de Galilée est le combat
passionné contre toute les formes de
dogme se fondant sur des arguments
d’autorité.
A.Einstein
lunette /phases de Venus /voie lactée/ satellites de J upiter / essaye de mesurer c (2 lanternes) / Copernic pub lie juste avant sa mort (1543),
rejetée de l’église (1616) / Filippo Bruno brûlé / Galilée abjure (20j de procès)/ réhabilité en 1992 > Lemaitre (big bang)
Confirmation de la rotation de la Terre sur elle même
Pendule de Foucault 1851
Cave du 5eme L=2m, m=5kg puis Panthéon : L=70m, m=28kg, D=6m
Confirmation de la rotation de la Terre autour du soleil
aberration : J.Bradley 1727
repère fixe
repère de la voiture
parallaxe stellaire
repère ‘fixe’
repère de la Terre
Johannes Keppler 1571-1630
T2  R3
t
Il fallut certainement presque autant d’efforts pour dégager les
trois lois de Keppler du reste de ses écrits qu’il n’en aurait
coûté pour refaire leur découverte. Bernard Cohen
à la suite de Tycho Brahé, excentricité de Mars
Johannes Keppler 1571-1630
Observation du Monde
- périodique : lois de Keppler
- imparfait
- non immuable
cratères sur la lune,taches sur le soleil nouvelle étoile :novae
Newton 1642-1727
Compréhension du Monde
- postulats de Newton 1687
(référentiel euclidien fixe)
- gravitation
(action instantanée à distance)
- interprétation corpusculaire
de la lumière
naissance=mort de Galilée, mêmes lois pour une pomme que pour la lune et le soleil,
Huygens : force centrifuge = attraction. Haley : attraction en 1/r² ? < Newton :trajectoire = ellipse
mgravea = minerteg , arc en ciel (Goethe), télescope
Confirmations expérimentales
Haley annonce en 1705 le retour de la comète qui porte son
nom en décembre 1758 (ce qui se réalise effectivement)
Perturbations de l’orbite d’Uranus  découverte de Neptune
par Urbain le Verrier 1845
Perturbations de l’orbite de Neptune  découverte de Pluton
par Clyde Tombaugh 1930
relations de Newtons mises en forme par le français Pierre Varignon
Leonhard Euler 1707-1783 (ei=-1) mécanique du solide indéformable , mécanique des fluides parfaits
reprend le principe de Maupertuis 1698-1759: “ tous les effets de la nature suivent quelque loi de maximum ou de minimum ”
Joseph Louis Lagrange 1736-1813 : mécanique
 analytique

v.
Expérience de Henri Cavendish 1798
la pesée de la Terre
10-6 g / vérification mgravea = minerteg à 10-12 près
Toute la mécanique des
solides
(terrestre et céleste)
est comprise
grâce aux notions de
espace
temps
solide (particule)
force
temps “ vrai et mathématique, sans relation avec rien d’extérieur [qui] coule uniformément ”
espace “ sans relation aux choses extérieures [qui] demeure toujours similaire et immobile ”
périhélie de
mercure
Déterminisme
Nous devons envisager l’état présent de l’Univers comme l’effet de
son état antérieur et comme la cause de l’état qui va suivre.
Une intelligence qui, pour un instant donné, connaîtrait toutes les
forces dont la nature est animée et la situation respective des êtres
qui la composent,…, embrasserait dans la même formule les
mouvements des plus grands corps de l’Univers et ceux du plus
léger atome; rien ne serait incertain pour elle et l’avenir comme le
passé serait présent à ses yeux.
Pierre Simon de Laplace 1749-1827
Il fonde la société d’Arcueil dont le but est de “ramener la vision
newtonienne du mode aux dimensions de la physique moléculaire
en appliquant, par les mathématiques, les lois de Newton aux
phénomènes tels que la lumière, la chaleur, le son, l’électricité et le
magnétisme ”
A Bonaparte qui lui reproche de ne pas citer Dieu dans son traité de
mécanique céleste: “ Sire, je n’ai pas eu besoin de cette hypothèse ”
Déterminisme
La loi nous donne le rapport numérique de l’effet à la cause, et c’est le but
auquel s’arrête la science. Lorsqu’on possède la loi d’un phénomène, on
connaît non seulement le déterminisme absolu des conditions de son existence,
mais encore les rapports qui sont relatifs à toutes ses variations, de sorte qu’on
peut prédire les modifications de ce phénomène dans toutes les circonstances.
Lavoisier, en créant la chimie moderne, expliqua du même coup la nature des
phénomènes qui se passent dans les être vivants ..Les manifestations physicochimiques ne changent pas de nature suivant qu’elles ont lieu au dedans ou au
dehors de l’organisme …. Il n ’y a qu’une espèce d’agent calorifique; qu’il soit
engendré dans un foyer ou dans un organisme, il n’en est pas moins identique
à lui-même. Il ne saurait y avoir une chaleur physique et une chaleur
animale…Il faut reconnaître partout la continuité des phénomènes.
Claude Bernard 1813-1878
Comprendre l’univers ?
La philosophie (la science) est écrite dans ce très grand livre
qui se tient constamment ouvert sous nos yeux, l’univers, et
qui ne peut se comprendre que si l’on a préalablement appris
à en comprendre la langue et à en connaître les caractères
employés pour l’écrire. Ce livre est écrit dans la langue
mathématique, ses caractères sont des triangles, des cercles
et d’autres figures géométriques, sans l’intermédiaires
desquels il est impossible d’en comprendre humainement un
seul mot, et sans lesquels on ne fait qu’errer vainement dans
un labyrinthe obscur.
Galilée (empirisme naïf)
échiquier de Feynman , lois de déplacement d’abord quelques pions (roque), principe un fou reste tjs sur noir (sauf pion à dame)
Comprendre l’univers et le vivant ?
Il faut dire comme Newton, a propos de l’attraction : « Les corps tombent
d’après un mouvement accéléré dont on connaît la loi: voilà le fait, voilà le
réel. Mais la cause première qui fait tomber ces corps est absolument
inconnue. On peut dire, pour se représenter le phénomène à l’esprit, que le
corps les tombent comme s’il y avait une force d’attraction qui les sollicite
vers le centre de la Terre, quasi esset attractio. Mais la force d’attraction
n’existe pas, on ne la voit pas, ce n ’est qu ’un mot pour abréger le
discours ». De même quand un physiologiste invoque la force vitale ou la
vie, il ne la voit pas, il ne fait que prononcer un mot; le phénomène vital seul
existe avec ses conditions matérielles, et c’est là la seule chose qu’il puisse
étudier et connaître.
Claude Bernard 1813-1878
Emmanuel Kant 1724-1804
phénomène / noumène
noumène
(objet en soi)
phénomène
(objet pour nous)
cadre spatio-temporel
catégories
que percevons-nous de l’eau dans un récipient ?
Qu’est ce que la chaleur ?
Les physiciens sont partagés sur la nature de la chaleur.
Plusieurs d ’entre eux la regarde comme un fluide répandu
dans toute la nature et dont les corps sont plus ou moins
pénétrés, à raison de leur température…D’autres physiciens
pensent que la chaleur n’est que le résultat des mouvements
insensible des molécules de la matière
Laplace et Lavoisier 1780
phlogistique
Sadi Carnot 1796-1832 James-P Joule1818-1889
Rudolf Clausius 1822-1888
puissance motrice du feu
on peut comparer la puissance motrice de la
chaleur à celle d’une chute d’eau : toutes deux
ont un maximum que l’on ne peut dépasser
Carnot
travail  chaleur
1er et 2ème principes
2nd principe énoncé avant le 1er
Marie François Sadi Carnot Pdt Republique 1887 / =transformation
mort de l’Univers ? / vie et 2nd principe : le hasard et la nec. J.Monod
James C. Maxwell 1831-1879
Ludwig Boltzmann 1844-1906
microscopique réversible

macroscopique irréversible
théorie cinétique des gaz : 1859
entropie statistique : 1877
L.Bolzmann
Déjà Daniel Bernoulli : pV=1/3 Nmv² et Joule1848 : 1/2 mv² =kT
Maxwell : 1ère photo couleur 1861 Boltzmann, incompris, se suicide
irréversibilité ?
Objection au deuxième principe
: démon de Maxwell
Si l’on renverse précisément le mouvement de chaque particule au même instant, alors tout
se déroulera à l’envers jusqu’au début des choses…les hommes verront leurs amis passer
de la tombe au berceau…Je ne crois pas qu’un tel exploit soit nécessaire pour renverser le
2nd principe… Mettons un gaz dans un récipient…Engageons un portier…à chaque fois
qu’il voit arriver une molécule à grande vitesse il doit la laisser passer, mais si la molécule
arrive lentement il doit garder la port fermée. On peut pourra élever ainsi la température
d’un compartiment sans aucune dépense d’énergie.
Objections au deuxième principe
Deux objections avaient entraîné la défaite de Boltzmann : celle
du retour et celle de l’inversion.
Théorème de récurrence de Poincaré > tout système dynamique
finira toujours (après le temps de Poincaré) par repasser aussi
près que l’on veut de sa position initiale
Si nous inversons les vitesses, le système va parcourir en sens
inverse la trajectoire qui l’a menée à l’état ou l’inversion a été
effectuée.
Dans les deux cas, la situation initiale n’appartient donc pas
seulement à un passé irréversiblement disparu, mais aussi à un
avenir possible.
L’irréversibilité n’est donc qu’apparence
…? ...
Prigogine
Poincaré, Borel et Lebesgue…
... Kolmogorov, Lyapounov
bifurcations

imprédictibilité
chaos déterministe
(énergie et impulsion sont
les seuls invariants
généraux)
Trajectoire chaotique de Pluton
imprédictibilité ?
Levée de certaines objections au deuxième principe
Prigogine (suite)
L’existence pour les systèmes chaotiques d’un horizon
temporel mesuré par le temps de Lyapounov ôte tout portée à
ces deux objections. Le temps de Poincaré est bien plus long
que le temps de Lyapounov. Dès lors nous ne pourrons plus
décrire une trajectoire revenant à son point initial: ce retour se
situe au delà de l’horizon temporel, à un moment où la notion
de trajectoire individuelle a depuis longtemps perdu son sens.
Qu’est ce que la lumière ?
Newton
Laplace
vair
corpuscules
veau > vair
Euclide pensait que la lumière était émise par l’œil / pourtant Newton a mis en évidence des phénomènes d’interférence: anneaux de Newton
Qu’est ce que la lumière ?
Huygens , Hooke
Fresnel , Euler
ondes
vair
veau < vair
v=
eau < air  veau < vair
Huygens (croisement de 2 faisceaux sans interaction: traité de la lumière 1677) / D’Alembert eq des ondes 1747
Hooke (élasticité des corps solides capables de transmettre des ondes, introduit le mot cellule en biologie)
Euler : “ la lumière n’est autre chose qu’une agitation causée par les particules de l’éther ” ( couleur <> longueur d’onde)
Equivalence des formulations :
principe de Fermat 1662
maître
nageur
vair
plage
veau < vair
mer
nageur
en péril
Fermat : moindre temps (veau<vair), Leibnitz : moindre résistance (veau>vair) <> moindre action deMaupertuis (méca)
n1.sin(i1)=n2.sin(i2) : loi de Descartes
Thomas Young 1773-1829
docteur en médecine
La lumière est une onde
1801 / expérience: regarder entre le majeur et l ’index / Biot, défenseur de Newton donne une interprétation corpusculaire
mais les franges prédites sont rectilignes au lieu d ’hyperboliques
1817 l’académie met au concours ‘ etude exp. et théorique de la diffraction’ Fresnel soumet un mémoire. Poisson, défenseur
de Newton,prédit un effet a priori absurde d’après la théorie de Fresnel (le milieu de l’ombre d’un disque est éclairé !) .
Fresnel fait l’expérience qui confirme en fait sa théorie (le milieu de l’ombre est bien eclairé)
Détermination de la vitesse de la lumière
Olaus Römer 1644-1710 James Bradley 1693-1762
Immersion- émersion d’un satellite de Jupiter O.Römer 1677
tendance à avancer
c est fini
 horloge
tendance à retarder (14min)
Aberration stellaire : J.Bradley 1727
c = 303 000 000 m/s
Sept : Römer annonce à l ’acad. sc. Io va emergé avec 10 min de retard sur l’horaire prévue (9nov à 5h25,45s), explication le 21 nov. À l ’acad.
Hippolyte Fizeau 1819-1896 Léon Foucault 1819-1868
mire transparente
miroir tournant
Michelson (1933) 299 796 km/s +/- 4km/s dans le vide : par décret :299 792 458 m/s (1983)
Fizeau et Foucault : nés à 5 j / ensemble 1ère photo du Soleil puis rivalité : 2 articles ~ même jour à l ’académie des sc.
Fizeau 750 dents, 12,5 t/s Suresnes-Montmatre: 8,6 km / Foucault miroir tournat 800 t/s , L=4m (air ou eau)
expériences décisives sur la nature de la lumière
ceau.fixe = c/n < cvide
ceau.mobile = c/n + (1+1/n²)v

la lumière est une onde !
confirmation théorie ondulatoire de Fresnel de 1819 (<40 ans)
effet Doppler-Fizeau prévu en 1848, observé par Huggins sur Syrius 1868, par Hubble sur les galaxies
Alexandro Volta 1745-1827 Charles Coulomb 1736-1806
Hans Christian Oersted 1777-1851 André-M Ampère 1775-1836
Michael Faraday 1791-1867
Luigi Galvani 1737-1798
(prof. d’anatomie)
collection de lois empiriques
sur l’électricité et le magnétisme
Un médecin prescrit à sa femme(maladie de poitrine) un bouillon de cuisses de
grenouilles. Galvani les dépouille lui même avec un scalpel (nerfs). Il pense qu’il
existe une électricité animale !
électricité  magnétisme 1820
magnétisme  électricité 1831
notion de champs : action de proche en proche
malheureux Colladon
Dialogue : expérience / lois / théorie
Mon ignorance des mathématiques est un obstacles à des échanges … du plus grand intérêt.
Lorsqu’un mathématicien, engagé dans l’étude d’actions physiques, est arrivé à ses
conclusions, celles-ci ne peuvent-elles pas s’exprimer en langage commun de manière aussi
complète, claire et définitive que dans des formules mathématiques
Je dois avouer que je répugne à employer le mot atome. Car s’il est aisé d’en parler, il est
difficile de s’en faire une idée claire
Faraday (à Ampère et Maxwell)
En commençant l’étude sur l’électricité, je résolus de ne lire aucun travail avant de posséder
à fond les recherches expérimentales de Faraday
Maxwell
Faraday 16041 exp sans aucune formule, école primaire, relieur à 13 ans, cours du soir libres à la royale society, assistant de Davy
invente aussi l’inox, le moteur électrique, la liquéfaction des gaz, l’électrolyse F=96500 C/mole.
James C. Maxwell 1831-1879
Hendrick Lorentz 1853-1928
équations de champ unifiant
l’électromagnétisme 1873
les ondes électromagnétiques ont
la même célérité que la lumière !
forces exercées par les champs sur
les particules 1895
Nous ne pouvons guère éviter d’inférer que la lumière n’est autre que les oscillations transverses du même milieu qui est la cause
des phénomènes électro-magnétiques. Maxwell / équations mises en forme par Heaviside / Maxwell donne une interprétation
mécanique compliquée (rouage…) qui nous semble maintenant complètement inutile.
Confirmation expérimentale
Heinrich Hertz met en évidence (émission + réception)
des ondes électro-magnétiques non lumineuses en 1887
ooc2  1
Toute la mécanique et tout
l’électromagnétisme sont compris
grâce aux notions de
espace
temps
particule
gravité
force
champ
onde
électromagnétisme
effet photoélectrique
Hertz confirme (ondes
hertziennes) et infirme
(effet phto-électrique)
les eq. de Maxwell
La lumière est une onde comme le son
le support pour le son est l’air
quel est le support pour la lumière ? l’éther
sans vent
avec vent
L’éther doit être fixe car cela explique l’aberration et l’effet Doppler-Fizeau , par ailleurs
les équations de Maxwell ne sont pas invariantes par la transformation de Galilée
 il doit être possible de percevoir le vent d’éther
vent d’éther ?
30 km/s << 300 000 km/s
Rotation de la Terre sur elle même : 0,5 km/s
vent d’éther ?
expérience de Michelson 1887
expérience de Michelson 1887
résultat attendu :
2 L/c
L/(c  v)  L/(c - v)
2 L/c

1 - (v/c) 2
expérience de Michelson 1887
résultat obtenu :
Albert Michelson 1852-1887
Le vent d’éther est nul
support de grès sur bain de mercure : < 1cm/s
Réfutabilité : Karl Popper 1902-1994
une seule expérience en contradiction avec la théorie
(ondulatoire) suffit à la réfuter
inversement
une théorie qui n’est qui n’est réfutable par aucun
événement qui se puisse concevoir est dépourvue de
caractère scientifique
causalité: la cause d’un phénomène ne peut peut être qu’un autre phénomène non transcendant
l’opium fait dormir car il a une vertu dormitive / l’orage éclate à cause de la colère de Dieu (non réfutable)
Hendrick Lorentz 1853-1928
Henri Poincaré 1854-1912
Contraction des longueurs
dilatation du temps :
transformation de Lorentz
Les équations de Maxwell
(propagation des ondes
électromagnétiques) sont
invariantes par la
transformation de Lorentz
Raymond Poincaré Pdt de la république en 1913
Tout avait été indiqué ou soupçonné mais rien
n’avait été compris
(Milne-Edwards)
Peu importe que l’éther existe réellement : c’est l’affaire des métaphysiciens 1902
Il n’y a pas d’espace absolu et nous ne concevons que des mouvements relatifs 1902
Il n’y a pas de temps absolu : dire que deux durées sont égales, c’est une assertion qui n’a en
elle-même aucun sens… Nous n’avons pas l’intuition directe de deux événements qui se
produisent sur deux théâtres différents 1902
Les lois des phénomènes physiques doivent être les mêmes soit pour un observateur fixe,
soit par un observateur entraîné dans un mouvement uniforme … nous n ’avons aucun
moyen de discerner si nous sommes oui ou non entraînés dans un tel mouvement 1904
Peut être pourrions-nous construire une mécanique entièrement nouvelle, que nous avons
seulement réussi à apercevoir, dans laquelle l’inertie augmenterait avec la vitesse. La vitesse
de la lumière deviendrait alors une limite impossible à dépasser 1904
H.Poincaré
Ce qui est nouveau …c’est… que la portée de la transformation de Lorentz dépassait sa
connexion avec les équations de Maxwell et mettait en cause la nature de l’espace et du
temps.
A.Einstein
1900 H.Poincaré utilise implicitement E=mc² / cf aussi Lorentz, Lorenz, Voigt, Fitzgerald
Alfred Lienard (mines de St Etienne) dans ‘ éclairage public’ c=vmax (avant Einstein)
Albert Einstein 1879-1955
Nous avons besoin d’une définition telle de la simultanéité
qu’elle nous donne une méthode au moyen de laquelle nous
pouvons décider par des expériences si les deux coups de foudre
ont été simultanés ou non. Tant que cette exigence n’est pas
satisfaite je suis en tant que physicien (et aussi comme non physicien)
victime d’une illusion si je crois pouvoir attacher un sens à
l’affirmation de la simultanéité (si vous ne m’accorder pas cela avec
conviction, il est inutile de continuer).
Heisenberg: Einstein est parti à juste titre de cette constatation banale : le temps, c’est ce que l’on voit indiqué sur sa montre
Naissance= mort de Maxwell / renvoyé du lycée / thèse refusée car trop courte, il y rajoute une phrase, elle est acceptée/ il présente son article sur
la relativité restreinte pour devenir MC il est rejeté/ il n’obtient le prix Nobel qu’en 1922 pour l ’effet photo-électrique.
Postulats de la relativité restreinte (1905)
tous les référentiels galiléen sont équivalents pour la formulation
des lois de la physique (y compris l’électro-magnétisme.)
vitesse de la lumière indépendante du référentiel
réflexion sur la mesure du temps et des distances
transformation de Galilée  transformation de Lorentz

dilatation du temps
une horloge mobile
semble tourner moins vite

contraction des longueurs
une règle mobile semble
plus courte
L’éther luminifère est superflu
conservation impulsion+énergie mais pas de la masse
Postulats de la relativité générale (1915)
Toutes les lois de la nature sont les mêmes
dans tous les repères (même accélérés)
gravitation  accélération
trajectoire = géodésiques d’un espace non euclidien
modifié par les masses ou accélérations
en présence d’un forte gravité ou accélération il n’est pas possible de remplir
l’espace avec des cubes
v << c  lois de Newton
Essai de bâtir un champ de gravité ne se modifiant pas instantanément (cf eq de Maxwell) >échec
Expérience de pensée : mesure de la circonférence d’un cercle en rotation (contraction des longueurs tang. mais pas radial) >  3.14 !
Si vous vous plaignez d’avoir des pbs math que diriez vous si vous aviez les miens
Confirmations expérimentales
durée de vie des mésons mobiles > durée de vie d’un méson au repos
écarts de longueur d’onde des raies d’atome d’hydrogène mobiles
par rapport à des atomes au repos
déviation de la lumière par la masse du Soleil
éclipse de 1919 , mesure par Edington
Quelle aurait été votre réaction si les observations avaient infirmé votre théorie ?
: j’en aurais été navré pour Dieu car la théorie est exacte. A. Einstein
explique l’avance du périhélie de Mercure / mésons au repos 2.5 10-8 s > x100 pour v=0.99995 c / aberration des étoiles (correction relativiste)
choc frontal de 2 protons = 2 protons + 1 méson de Yukawa / De+De > He + énergie 2x2.014g>4,0026 g +2.43 1012 J=1000W x 80 ans
sur Planck : c’était un des êtres les plus intelligents que j’ai jamais connu, et un de mes meilleurs amis; mais vous savez, il n ’a jamais vraiment
compris la physique….Pendant l'éclipse de 1919, il est resté debout toute la nuit pour voir si elle allait confirmer la déviation de la lumière par le
champ gravitationnel solaire. S’il avait vraiment compris comment la théorie de la relativité générale explique l’équivalence de la masse inerte et
de la masse gravitationnelle, il serait allé se coucher comme moi.
GPS, émission stimulée > laser, mvt brownien avec J Perrin, viscosité des suspensions
Paradoxe des jumeaux de Langevin
Révolution relativiste
t
remise en cause de l’espace et du temps absolu
futur
redéfinition de la causalité
et des notions passé et de futur
utilisation de géométries non euclidiennes
remise en cause de la conservation de la masse
eo
‘ailleurs’
passé
remise en cause de toute action instantanée
mais si v<<c  lois de Newton
dans l’ailleurs, un événement peut être antérieur ou ultérieur à eo selon l ’observateur mais
ne peut être ni la cause ni la conséquence de de l ’évenement eo
dans le passé les événements sont toujours antérieurs à eo (quel que soit l ’observateur)
la distance x²+  y²+  z²-c²  t² dans l ’espace-temps est indépendant de l’observateur
science normale en progrès continu
et révolution scientifique
La physique est définitivement constituée dans ses concepts
fondamentaux. Lord Kelvin (à la fin du XIX° s)
Par une exigence subite, le physicien contemporain nous
demandera d’associer à l’idée de simultanéité l’expérience qui doit
prouver la simultanéité de deux événements; c’est de cette
exigence inouïe qu’est née la relativité. G. Bachelard 1884-1962
Dans son état normal, un groupe scientifique est un instrument
extrêmement efficace pour résoudre les problèmes que définissent
ses paradigmes. Et les résultats de cette efficacité doit être
inévitablement un progrès. Ce point est hors de doute. Il ne fait
cependant que souligner …les progrès réalisés grâce à la science
extraordinaire. T. Kuhn 1922-1996
Kelvin suite: tout ce qu’elle peut maintenant apporter c’est la détermination de qcq décimales suppl Il y a bien deux petits pbs: celui du résultats
négatifs de l’exp de Michelson et celui du corps noir, mais ils seront rapidement résolus et n’altèrent en rien notre confiance.
Joseph Thomson 1856-1940 Jean Perrin 1870-1942
Ernest Rutherford 1871-1937
- électron
- modèle planétaire
de l’atome
He++=ray alpha
feuille d’or 10µm
..théorie atomique, radioactivité,
particules élémentaires ...
Lucrèce 1er siecle av JC : atome/ John Dalton 1766/1844 lois des proportions multiples
Thales : électron =ambre / Si les rayons cathodiques étaient des corpuscules chargés se déplaçant à haute vitesse… leur taille doit être petit
comparée à celle des atomes : Thomson (q/m)e- = (q/m)p+ /2000. Atome de Thomson= pouding=sphère+ avec des grains -.
Millikan : quantification de la charge (gouttelettes d’huiles dans un condensateur, chargés de n (entier) d’électrons)
Jean Perrin : 13 façons d’estimer le nbr d ’Avogadro dont une d ’après le mouvement brownien des grains de pollen (avec Einstein)
Rutherford : c’était comme si en tirant au pistolet sur une feuille de papier, la balle avait rebondi > distance He++/noyau très faible pour expliquer
la répulsion coulombienne
Planck (1883) : en dépit des grands succès remportés par la théorie atomique…il faudra.. l’abandonner au profit de l’hyp. d’une matière continue
Rayonnement du corps noir
6000 K (soleil)
énergie
3000 K (lampe à tungstène)
fréquence
Loi théorique de Rayleigh au faibles fréquence, loi empiriquede Wien aux grandes fréquences: Plank propose une loi empirique joignant les deux
que son ami Rubens vérifie la nuit suivante pour les fréquences intermédiaires.
Catastrophe ultaviolette : d’après la loi de Boltzmann sur la probabilité (pour un oscillateur) d’être à un niveau d ’énergie donné : plus la
fréquence est élevée plus l’émission est importante : la somme de l’énergie émise tend vers l’infini. Idée de Planck les niveaux d’énergie ne
peuvent prendre que certaines valeurs discrètes (fonction de la fréquence). Il s’arrange pour arriver à sa loi empirique (il voulait au départ
montrer que l’interaction rayonnement matière était à l ’origine de l’irréversibilité)
A son fils ‘aujourd’hui j’ai fait une découverte aussi importante que celle de Newton’ / vie familiale remplie de drames.
Effet photo-électrique
énergie cinétique des électrons
fréquence de la lumière
Indépendamment du flux lumineux, si celui ci augmente c’est le nombre d’électrons émis qui augmente
Idée d’Enstein les ‘grains de lumière’ doivent avoir une énergie suffisante pour arracher l’électron, le surplus d ’énergie devient de l’énergie
cinétique (il ne découvre les travaux de Planck qu’en 1906)
Max Planck 1858-1947
Albert Einstein 1879-1955
- loi empirique du rayonnement du
corps noir interprété à l’aide de
quanta d’énergies : E=h (1900)
- interprétation corpusculaire de la
lumière : le photon est grain de
lumière (effet photoélectrique 1905)
Acceptation d’une double interprétation d’un phénomène
Planck transgresse le ‘sacro-saint’ principe de Leibnitz ‘natura non facit saltus’
Einstein transgresse la conviction scientifique (démontée par de nbres exp) que ‘la lumière est une onde’
pour Plank, les quanta sont d’abord un artifice de calcul (même s’il comprend profondément le 2nd principe) et ne s’appliquent qu’aux
échanges entre rayonnement et matière (en 1911 il tente même de rétablir la continuité des échanges ray/matière) / pour Einstein les
quanta ont une réalité physique
Planck: Tandis que l’importance du quantum d’action dans les rapports entre entropie et probabilité se trouvaient définitivement établie, le
rôle joué par cette constante nouvelle…restait encore tout a fait obscure…elle se révélait encombrante et récalcitrante...
Planck défend les savants juifs, alors que Lenard et Stark se montrent antisémites
Confirmation expérimentale
Le photon possède une impulsion p= h/c (Einstein 1916)
Mise en évidence de l’effet Compton 1923
photon
électron
explique l’effet thermoélectrique
Niels Bohr 1885-1962
Interprétation des loi empirique des
spectres de raies utilisant la
quantification du moment cinétique
Lorsque je vis la formule de Balmer, tout
devint clair pour moi. 1913
Spectres de raie : Bunsen et Kirchhoff découvrent le rubidium, le césium, l’helium (d’abord sur le soleil)
modèle (mvr = nh/ 2pi) confirmé par potentiel d’ionisation des gaz (Hertz/Frank) / Sommerfeld orbites elliptiques
mvt de rotation (= accéléré) de l’électron > rayonnement > énergie baisse > électron s ’effondre sur le noyau !
Louis de Broglie 1892-1987
Interprétation ondulatoire des particules
(1923) :  = h /p
Commence des études de droit et d’histoire, son frère ayant rédigé les CR du conseil Solvay 1911, il se consacre à la physique allant jusqu’à
rompre ses fiancailles. Puis soudain me vint en 1923, l ’idée que la coexistence des ondes et des particules n’existait pas seulement dans le cas
étudié par Einstein et qu’elle devait être généralisée pour toutes les particules. (analogie Fermat/ Maupertuis <> lumière/particule)
Confirmation expérimentale 1927
diffraction des électrons
puis expérience d’interférence
avec des électrons
Interférences obtenues avec des électrons
Erwin Schrödinger 1887-1961
Werner Heisenberg 1901-1976
Postulats de la mécanique
ondulatoire ‘(1926)
(physique quantique hors
rayonnement)
1925 Heisenberg (mécanique des matrices)  1926 Dirac (q nombres)  1926 (fct d’onde) : non unicité des représentation
cf mécanique Newton / Lagrange / Hammilton
particule  fonction d’onde
évolution de la fonction d’onde :
équation déterministe de Schrödinger
fonction d’onde  probabilité position (x)
 probabilité impulsion (px)

relation d’incertitude de Heisenberg x px  h/4
Feynman : rel.d’incertitude : il est impossible d’imaginer
un appareil,quel qu’il soit, permettant de déterminer le trou
emprunté par l’électron sans en même temps perturber
l’électron suffisamment pour détruire la figure
proba de présence = carré de la fonction d’onde (qui peut être <0 ou complexe)
le principe d’incertitude ne permet pas au démon de Maxwell d’opérer
les électrons n’ont pas véritablement de trajectoire dans l’atome
Paul Dirac 1902-1984
et von Neuman
onde-particule = vecteur d’état
d’un espace de Hilbert
extension au rayonnement
prédiction de nombreuses
particules notamment
d’antimatière
première approche quantique
relativiste
M. je ne comprends pas comment vous avez établi la formule: ce n’est pas une question c’est une constatation !
Oh j ’ai du faire une erreur de signe : un nombre impair de fautes !
Enrico Fermi 1901-1954 : interaction faible / Hideki Yukawa 1907-1981 : interaction forte
Richard Feynman 1918-1988 quantification du champ électro-magn
Révolution quantique
physique classique
newtonienne ou relativiste
déterministe
(éventuellement non prédictible)
probabilités classiques
(choc , théorie cinétique des gaz)
particule localisée
suivant une trajectoire
grandeurs continues
on peut imaginer une mesure
-sans influence sur le système
-de précision tendant vers 0
physique quantique
aléatoire
système quantique : superposition de tous les états
possibles, chaque état évolue de façon déterministe
mais la mesure choisit ‘au hasard’ un des états
amplitude de probabilité (+/-)
 loi de probabilité (somme des amplitudes)²
dualité onde-particule
avec probabilité de présence
toute mesure modifie le système
la précision des grandeurs continues (position,
impulsion) est limitée
les autres grandeurs ne peuvent prendre que des
valeurs discrètes (quantification de l’énergie, de la
charge, des moment cinétiques et magn.…)
Bohr / Einstein
Certains physiciens, parmi lesquels je me trouve moi même, ne peuvent pas croire que
nous devions abandonner, réellement et pour toujours, l’idée d’une représentation
directe de la réalité physique dans l’espace et le temps, ou que nous devions accepter
que les événements dans la nature ressembent à un jeu de hasard.
A.Einstein
Dieu connaît simultanément la position et la vitesse d’une particule.
M.Planck
Il est faux de penser que le but de la physique est de trouver comment est faite la nature.
La physique est seulement concernée par ce que l’on peut dire sur elle. N.Bohr
Le résultat d’une seule expérience n’est déterminé par aucune loi et par conséquent il
est sans cause
W.Pauli
Cette interrogation sur la réalité des choses en dehors de la mesure ou de l’observation,
le lecteur l’a sans doute appréhendée le jour ou il s’est demandé si l’ampoule de son
réfrigérateur était bien éteinte lorsque la porte de ce dernier était fermée. Mais elle
prend ici une portée nouvelle.
E.Klein
Einstein: Dieu ne joue pas aux dés / Bohr: Mais ce n’est pas à nous de lui prescrire comment gouverner le monde
Ehrenfest: Einstein, j’ai honte pour toi, car tu argumentes maintenant contre la nouvelle théorie quantique exactement de la même manière que
tes adversaires contre la théorie de la relativité
R.Feynman :Je crois pouvoir dire à coup sûr que personne ne comprend la mécanique quantique. Ce n’est pas notre ignorance des rouages
internes, des complications internes, qui entraîne l’apparition des probabilités dans la nature. Il semble que ce soit intrinsèque: ‘ la nature ellemême ne sait pas par quel trou est passé l’électron.
La vrai force de l’esprit se mesure au degré d’incertitude qu’il est capable de supporter. Nietzche
Paradoxe EPR (Einstein, Podolsky, Rosen)
Incomplétude ? Modification instantanée à distance ?
Expérience d’Alain Aspect 1982
B
détection en A
 immédiatement à distance
réduction du paquet d’onde
détection en B
A
 impossibilité d’une théorie déterministe à variable locale (John Bell)
 théorie avec amplitude de probabilité
‘action’ instantanée à distance
(mais sans transmission instantanée d’information)
 théorie de l’onde pilote (De Broglie … David Bohm)
particule surfant
sur l’onde
Vers la grande unification ?
Théorie quantique des
champs
||
mécanique quantique
relativiste
(nécessité d’utiliser la renormalisation)
Dirac: renormalisation =‘compliquée et hideuse’ or ‘toute loi physique doit être empreinte de beauté’
Feynman : Je pense que la théorie de la renormalisation est juste un moyen de masquer les difficultés dues aux divergences de
l’électrodynamique quantique, ça revient à cacher la poussière sous le tapis.
Unification de la
gravitation
(relativiste) et de la
mécanique quantique
(y compris interaction
forte)
J’ai l’impression de n’avoir été qu’un enfant qui joue sur la plage
et se divertit en trouvant ça et là un coquillage plus joli qu’à
l’ordinaire, alors que le grand océan de la vérité reste inexploré
devant moi.
I. Newton
Heureux Newton, heureuse enfance de la science…La nature était
pour lui un livre ouvert dont il pouvait lire les lettres sans effort.
Les concepts qu’il employa pour mettre de l’ordre dans la matière
expérimentale semblaient découler spontanément de l’expérience
elle-même, de belles expériences qu’il alignait comme des jouets...
A.Einstein
onde=rayonnement  onde=particule=interaction (H.Yukawa 1934)
particule=matière
masse =énergie
espace et temps absolus  espace-temps relativiste
déterminisme  imprédictibilité, hasard quantique
Quelle sera le prochain pilier ébranlé ?
invariance par rapport au temps  conservation de l’énergie
invariance par translation  conservation de l’impulsion
invariance par rotation  conservation du moment cinétique
invariance droite/gauche sans doute pas vérifiée !
Emmy Noether 1918 : invariance par une transformation  conservation d ’une quantité
radioactivité beta : n > p+e+neutrino : le spin de l ’électron est plus souvent dans un sens (comme les vis à droite chez casto)
Autre bizarrerie quantique
l’expérience de Stern et Gerlach
quantification, superposition et probabilités
Source : Pour la science
Paradoxe EPR (Einstein, Podolsky, Rosen)
Incomplétude ? Modification instantanée à distance ?
Expérience d’Alain Aspect 1982
B
détection en A
 immédiatement à distance
réduction du paquet d’onde
détection en B
A
1ère interprétation
l’orientation est quelconque et fixée au départ
mais elle est inconnue
Probabilité de détection
= cos²()

n’explique pas la
concordance à 100%
entre A et B
A
2ème interprétation
l’orientation est verticale OU horizontale et
fixée au départ mais elle est inconnue
Probabilité de détection
= cos²()
A
2ème interprétation
l’orientation est verticale OU horizontale et
fixée au départ mais elle est inconnue
B
A
n’explique pas la
concordance à 100%
entre A et B si on
tourne de 45° les
deux filtres
3ème interprétation
l’orientation est quelconque et fixée au départ
mais elle est inconnue
Probabilité de détection
= 100 % si <45°

A
3ème interprétation
l’orientation est quelconque et fixée au départ
mais elle est inconnue
B

n’explique pas la
concordance à 85%
lorsqu’un filtre est tourné
de 22.5°
A
75%
4ème interprétation : la bonne
l’état initial est la ‘superposition’ des
orientations horizontales et verticales
B
A
4ème interprétation : la bonne
si A est détecté l’état est immédiatement
réduit à l’orientation verticale
B
la probabilité d’être
détecté en B est alors de
85% si le filtre B est
orienté à 22.5°
= cos² (22.5°)
A
aucune information ne peut être transmise instantanément: la relativité est sauve