Les lois de la nature

Basées sur l’intuition…
Afin de d’expliquer son propos, Christophe Galfard tient un verre d’eau et dit qu’il va lancer de l’eau vers le public chacun sait où va tomber l’eau et se recule.
Si on refait l’expérience à plusieurs endroits différents est-ce encore vérifié ?

Les lois de la nature sont-elles les mêmes partout ?

NEWTON 1687 : « Principes mathématiques de la philosophie naturelle » (voir le livre)
On postule que : Les lois de la nature sont UNIVERSELLES.
On peut dire où va tomber une flèche avec précision.

On peut comprendre avec des formules mathématiques tout ce qui est autour de nous.

Par rapport à l’univers nous ne sommes pas grands
Par rapport au monde quantique nous sommes gigantesques
L’homme flotte entre 2 infinis

Nous percevons le monde à l’aide de nos sens.
Notre cerveau est capable de percevoir notre « bulle » : pas trop Grand, pas trop Petit, pas trop Rapide…
Le Rapide peut avoir lieu dans le Grand ou le Petit.
La lumière voyage très vite mais il faut attendre le siècle dernier pour mesurer sa vitesse avec grande précision.

Cependant l’astronome danois Ole Römer (1644-1710) effectua la première détermination de la vitesse de la lumière en 1676 par une méthode astronomique.
Durée de l’éclipse de Io par Jupiter à plusieurs mois d’écart.
Le calcul sera approché à 20% de la valeur réelle de la vitesse de la lumière.
Römer trouvera 244 658 km/s.
Jupiter possède 67 lunes dont 4 « grosses » et en particulier « Io »

L’approche mathématique de la Physique

En 1873 James Clerck Maxwell publie le Traité d’électricité et de magnétisme.
Il met en évidence que l’électricité (charges se déplaçant sur un fil électrique) et le magnétisme (les aimants) sont la même chose.
Les 2 forces sont unifiées en la force Electromagnétique.
Il remarque que si on fait bouger un aimant on obtient « une vague » (équation d’onde) dont la vitesse de déplacement est celle de la lumière. Il en déduit que la lumière est une onde électromagnétique.

Caractéristique de la Lumière

Pour toute personne regardant la lumière, elle se déplace à la même vitesse. Cette caractéristique est surprenante. Pour tout autre phénomène physique les vitesses s’additionnent.

Quand on va très vite (proche de la vitesse de la lumière) on peut dire que 1 + 1 = 1
Si on se déplace à la vitesse de la lumière moins 1 km/h et que l’on lance un objet dans la même direction à 10 km/h il ne dépassera pas la vitesse de la lumière.

On sait depuis A. Einstein que la masse du corps lancé sera telle qu’elle l’empêchera de dépasser la limite de la vitesse de la lumière.

Premier principe d’Einstein 

La vitesse de la lumière est constante dans tous l’Univers.

Principe de Relativité de Galilée :

Les lois de la Nature sont les mêmes dans tout l’Univers (quel que soit l’endroit où l’on se trouve les expériences donnent les mêmes résultats).
De plus si on se déplace à Vitesse Constante ces lois restent les mêmes.
C’est le principe de relativité découvert par Galilée.

Les équations de Maxwell

Les équations de Maxwell ne répondent pas au critère de Relativité défini par Galilée.
Si on change la vitesse les équations changent.
Ce problème sera résolu par les équations de Lorentz
Il y 4 équations de Maxwell 2 dépendent de la variation du temps

Einstein 1905 : Trouver des « principes » fondamentaux

il va en énoncer 2
1/ La « vitesse » de la lumière est constante
2/ Si on va « vite » on voit les choses de la même façon
Ces 2 principes vont transformer la perception de l’Univers !

Avant Einstein

L’Univers est une « boite » qui contient toutes les étoiles et les planètes.
Il existe une horloge identique pour tous en dehors de la boite.

Après Einstein

L’espace et le temps ne sont plus séparés, chaque objet de la boite dispose de sa propre horloge
Expérience de pensée d’A. Einstein
Que se passe-t-il si je suis « à cheval » sur un rayon de lumière et que je lance un autre rayon de lumière ?

On était habitué en physique classique à ce que les vitesses s’ajoutent pour la lumière ce n’est pas le cas.
Si l’on se déplace à la vitesse de la lumière, le temps s’arrête.

Exemple : Il existe des particules qui vivent un temps si court qu’elles ne devraient pas pouvoir atteindre la Terre. Le problème est que l’on trouve de ces particules, c’est donc qu’elles n’ont pas la même horloge.
C’est un flot de particules constitué essentiellement de noyaux atomiques et d’électrons qui circulent dans l’espace à des vitesses relativistes (vitesse de la lumière)

Si l’on se déplace à la vitesse de la lumière (300 000 km/s) moins 1 km/h (300 000 – 1) et qu’on lance un objet dans la même direction, il devrait dépasser la vitesse de la lumière !
Comme il ne peut dépasser la vitesse de la lumière, l’énergie communiquée à l’objet accroit sa masse (E = mc²)

Deux applications connues de la libération de cette énergie

Les centrales nucléaires, la bombe atomique

Fusion

Pour les atomes « petits » de masse atomique < à celle du Fer (numéro atomique du Fer : 26), il est possible de « coller » ces petits atomes. C’est la Fusion.
La masse de l’atome obtenu en collant 2 atomes plus petits est inférieure à l’addition de la masse des 2 petits donc de la masse est transformée en énergie.
Dans la pratique on fusionne des atomes d’Hydrogène pour obtenir un atome d’Hélium.
L’énergie est transformée en Lumière dont le rayonnement produit de l’énergie.

Fission

Au-delà de la masse atomique du Fer c’est l’inverse, c’est en cassant des atomes que l’on récolte de l’énergie. C’est la fission nucléaire qui est mise en œuvre dans les centrales nucléaire et la bombe atomique. Dans les centrales on utilise de l’Uranium (numéro atomique 92).

Pour réaliser la fusion il faut apporter beaucoup d’Energie
Pas de déchets radioactifs créés par cette réaction
Pour réaliser la fission il ne faut pas beaucoup d’Energie
Création de déchets radioactifs à durée de vie longue

Si un neutron intercepte un noyau d’Uranium, le noyau se casse en libérant 2 neutrons qui vont rencontrer deux autres noyaux d’Uranium … c’est la réaction en chaine et donc une explosion, la bombe.
Si on maitrise la réaction en chaine on fait fonctionner une centrale nucléaire. Le nombre de neutrons émis est égal au nombre de neutrons absorbés.

Le Monde Quantique

En 1900 se posent des problèmes théoriques.
Un exemple de problème, le rayonnement d’un corps noir.
Un corps « noir » est un objet qui absorbe toutes les radiations, c’est la raison pour laquelle il nous apparait noir. Une surface noire exposée au soleil chauffe bien plus qu’une surface blanche qui renvoi tout le rayonnement c’est pour cela que les capteurs solaires qui chauffent de l’eau sont noirs.
Un corps noir est assimilable à A la température ambiante, un corps noir rayonne dans l’infra-rouge, ce qui fait que l’œil humain ne le perçoit que noir. Lorsque l’on chauffe un corps noir il émet une couleur blanc-bleu qui sert de référence à l’énergie émise par les étoiles. Les trous noirs sont des corps noirs presque parfait qui absorbent tout rayonnement bien que Stephen Hawking ait modélisé qu’ils émettraient un rayonnement.
Les physiciens du 19eme siècle utilisèrent en guise de corps noir un récipient du genre thermos, parfaitement isolé thermiquement et dont les parois intérieures réfléchissent tous les rayonnements. Un tout petit trou percé dans la boite permettait de mesurer le rayonnement qui s’en échappe, sa couleur et son intensité.
Pour les hautes fréquences (=faibles longueurs d’onde celles de l’ultra-violet). La loi de Rayleigh prédit en effet que pour des fréquences très grandes, l’énergie devient gigantesque. On devrait donc être brûlés par les rayons ultraviolets qui s’échappent d’un trou noir à température ambiante ! C’est à cette « catastrophe ultra-violette » (la catastrophe, c’est le modèle, pas la réalité) que s’attaqua Max Planck en 1900.

Attention : les panneaux photovoltaïques utilisent un autre effet.  L’effet photoélectrique, ils sont constitués d’atomes de silicium auxquels un électron est arraché par l’effet photoélectrique. La paire électron libre et trou laissé sur l’atome après la perte de l’électron crée la circulation électrique. L’absorption de l’énergie est donc transformée en courant électrique.

Les Quantas d’énergie, la matière et l’antimatière.

Max Planck va imaginer que l’énergie dans l’univers est composée de « petits paquets ». Un nombre Entier de petits paquets (Les nombres Entiers 1, 2, 18, … sont ceux qui n’ont pas de partie décimale par opposition aux nombres réels 1.22, 3.14, …).

Albert Einstein est d’accord avec cette vision de petits paquets d’énergie qu’il va appliquer à la lumière pour les photons.

Paul Dirac en déduit que les « petits paquets » (quantas) d’énergie peuvent créer des particules (E = mc²). Il applique cette théorie à l’électron. Créer la particule « électron » qui a une masse s’explique mais le problème est que l’électron a aussi une charge électrique (charge négative).
Pour expliquer la présence de cette charge, Dirac va imaginer qu’une autre particule symétrique de l’électron est créée avec une charge positive. Il l’appellera positron.
Cette particule sera détectée 1 an après. C’est la première particule d’antimatière qui sera observée.
L’antimatière est de la matière avec des charges électriques opposées.
Si de l’antimatière rencontre de la matière les particules redeviennent de l’énergie.
Cette réaction est la plus grande source d’énergie possible dans l’Univers.
Il faudrait moins de 1 kg d’antimatière pour faire exploser la Terre et transformer sa masse en énergie.
En se désintégrant, les particules radioactives créent de l’antimatière qui s’annihilent en créant de l’énergie sous forme d’un rayonnement lumineux.

Les scanner TEP permettent de voir et de mesurer quantitativement, en trois dimensions, les activités d’un organe grâce aux émissions produites par les positrons issus de la dégradation de molécules radioactives injectées au préalable, qu’on appelle traceurs.

Ces molécules traceurs se déplacent dans le système sanguin et on en retrouve dans l’organisme du patient.
Ces molécules traceurs réagissent dans l’organisme comme le glucose, elles forment donc des zones de forte concentration aux endroits où le glucose est consommé.

Les molécules du traceur vont se désintégrer et produire des positrons qui vont ensuite s’annihiler avec un électron.
Cette annihilation va produire deux photons gamma de même direction mais de sens opposé. Ces photons d’annihilation en coïncidence sont ensuite détectés par les capteurs de la caméra TEP.
Les données sont ensuite reconstituées par un système informatique qui va nous permettre d’obtenir une image en trois dimensions et en couleur et permettre à la caméra TEP de localiser les lieux d’émission.
Elle est utilisée pour voir l’état d’un traitement d’un malade ou dans la détection de maladies comme le cancer.

Questions posées par la salle

• Les jumeaux de Langevin
• En chute accélérée on a le même ressenti que sur Terre avec l’accélération due à la gravité
• La masse des corps célestes (planètes, étoiles, …) déforment l’espace et le temps
• Une question personnelle concernant les Multivers à laquelle Christophe Galfard donna les réponses concernant l’état de la recherche à ce jour.
  • Dès que l’on réalise une observation se créent une infinité d’univers
  • Les multivers sont définis par les théories des cordes et l’extension aux brames dans lesquels les dimensions sont « repliées »