Exposé le 29/07/2015 lors de la session A destinée à un public d'enseignants du secondaire de LISHEP 2015 à Manaus, à l'occasion de l'année internationale de la lumière

1. Le paradigme de la lumière, fil
conducteur des modèles
standards
LISHEP 2015 29/07/2015
Gilles Cohen-Tannoudji
Laboratoire de Recherche Sur les Sciences de la Matière
LARSIM CEA-Saclay

2. molécule
atome
noyau
nucléon
quark électron
Terre
système solaire
amas
super amas
cosmos
macromolécule
tissus
organe
organisme
groupe social
galaxie
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La lumière, fil conducteur des modèles
standards
Infiniment grand
Infiniment petit
Infiniment complexe
Hiérarchie de structures emboîtées

3. • Infiniment petit : physique des particules
• Infiniment grand : astrophysique, cosmologie
• Infiniment complexe : hiérarchie de
disciplines; physique statistique
• Complexité : multitude d’interactions
enchevêtrées
• Interactions fondamentales : celles qui
gouvernent les échelles extrêmes
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La lumière, fil conducteur des modèles
standards
Les trois infinis

4. • Tout ce qui concourt à la formation, à la
cohésion ou à la désintégration des structures
de l’emboîtement universel
• Tout ce qui concourt à la dynamique des
processus dans lesquels ces structures ou
leurs constituants sont engagés
• Exemples : conversation, match de rugby,
désintégration radioactive, collision
particulaire
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La lumière, fil conducteur des modèles
standards
La notion d’interaction

5. • La gravitation : dominante dans l’univers à
très grande échelle
• En physique des particules : trois interactions
fondamentales, l’interaction
électromagnétique, les interactions forte et
faible
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La lumière, fil conducteur des modèles
standards
Les interactions fondamentales

6. 29/07/2015
La lumière, fil conducteur des modèles
standards
6
Dates Cadre théorique Gravitation Électro
magnétisme
Interaction
faible
Interaction
forte
17ème
siècle
Galilée, Newton Newton
19ème
siècle
Mécanique
analytique,
thermodynamique
statistique
Maxwell
1895-
1898
Rayons X, électron, radioactivité
1900-
1930
Mécanique
quantique
1905-
1915
Relativité Einstein
1930-
1970
Théorie quantique
des champs
Big bang QED Fermi Yukawa
1970-
2012
Théories de jauge CDM Théorie électrofaible de
Glashow, Salam, Weinberg et
Brout, Englert et Higgs
QCD
2012- … Décohérence,
théorie quantique
de l’information,
Holographie
Grande unification? Supersymétrie ? Matière
sombre ?Inflation ?Gravitation quantique ?

7. 29/07/2015 7
La lumière, fil conducteur des modèles
standards
Théorie
électromagnétique de
la lumière
e, c
(Faraday, Maxwell,
Hertz)
Théorie de la
gravitation
universelle
G
(Galilée, Newton)
Mécanique analytique
(Lagrange, Hamilton)
Théorie cinétique de la
matière,
Thermodynamique
statistique
k
(Maxwell, Boltzmann)
L’effet photoélectrique?
Le rayonnement du corps
noir?
Précession du périhélie de
Mercure?
Problème de l’éther?

8. 29/07/2015 8
La lumière, fil conducteur des modèles
standards

9. 29/07/2015 9
La lumière, fil conducteur des modèles
standards
L’interaction électromagnétique

10. 29/07/2015 10
La lumière, fil conducteur des modèles
standards
Le photon

11. 29/07/2015 11
La lumière, fil conducteur des modèles
standards

12. L’action mise en jeu dans une interaction, égale
au produit de l’énergie transférée DE par la
durée DT est nécessairement supérieure au
quantum d’action, égal à la constante de
Planck divisée par 2p :
D D DA E T
h
  
2p
D D DA E T
h
  
2p
2
h
A E T
p
D  D D  
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La lumière, fil conducteur des modèles
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Le quantum d’action

13. D D
D D
D D
D D
E T
x p
y p
z p
x
y
z







Infiniment bref et infiniment petit =
infiniment grand en énergie
x
y
z
E T
x p
y p
z p
D D 
D D 
D D 
D D 
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La lumière, fil conducteur des modèles
standards
Les inégalités de Heisenberg

14. 14
L’accélérateur du CERN à Genève29/07/2015
La lumière, fil conducteur des modèles
standards

15. 15
L’intérieur du détecteur ATLAS au LHC
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La lumière, fil conducteur des modèles
standards

16. • La relativité restreinte
– Le temps: quatrième dimension de l’espace-
temps
– L’énergie précède la masse:
• il y a de l’énergie sans masse, par exemple la lumière
• mais il n’y a pas de masse sans énergie: E=mc2
• La relativité générale
– Théorie géométrique de la gravitation universelle
– Base théorique de la cosmologie, étude de la
dynamique de l’univers dans son ensemble
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La lumière, fil conducteur des modèles
standards
16
Einstein et la théorie de la relativité

17. 29/07/2015
La lumière, fil conducteur des modèles
standards
17
La matière dicte à l’espace-temps comment il doit
se courber: l’espace temps dicte à la matière
comment elle doit se mouvoir
L’équation d’Einstein

18. 18
• Une solution possible des équations d'Einstein à la base de la
cosmologie:
– un univers en expansion et en refroidissement depuis une phase
infiniment dense et infiniment chaude, le big bang,
– jusqu'à son état actuel (étoiles et planètes, nébuleuses, galaxies,
amas et super amas de galaxies,…),
– après une succession de transitions où les particules et les
interactions se différentient, où se forment les structures de
l'emboîtement universel
• Conséquences prédites par ce modèle et confirmées par
l'observation
– Fuite des galaxies à des vitesses proportionnelles à leur
éloignement
– Proportions des noyaux légers entrant dans la composition de la
matière universelle
– Rayonnement de fond cosmologique, émis lorsque l'univers
devient transparent à la lumière
Le modèle cosmologique du big bang
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La lumière, fil conducteur des modèles
standards

19. 19
• Voir le passé avec la lumière
– Les distances exprimées en "temps - lumière"
• Distance Terre – Lune: une seconde – lumière
• Distance Terre – Soleil: 8 minutes – lumière
• Distance Terre – supernova 1987A: 170000 années –
lumière
– Voir une galaxie à 1 milliard d'années – lumière, c'est voir un
aspect de l'univers tel qu'il était il y a 1 milliard d'années
• Voir le passé dans la matière
– Les quarks et les électrons dont est faite toute la matière qui
nous compose et qui nous entoure datent des tous premiers
instants qui ont suivi le big-bang
– Sonder la matière aux plus petites échelles possibles, c'est voir
des aspects de l'univers tel qu'il était immédiatement après le
big bang
Comment reconstituer l’histoire de l’univers
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La lumière, fil conducteur des modèles
standards

20. 20
Les grandes étapes de l’histoire de l’univers primordial
a b c d e
0
f
0 : « Le temps 0 » : La singularité du big bang.
a : L’ère de la gravitation quantique ( 10-43 s). Toutes les interactions
seraient unifiées. Un domaine encore très mal compris
b : L’ère de la grande unification ( 10-35 s). La gravitation est séparée des 3
autres interactions qui restent unifiées.
c : L’ère de l’unification électrofaible ( 10-12 s). L’interaction forte est
séparée des interactions électromagnétiques et faibles qui restent unifiées.
d : L’interaction faible est séparée de l’interaction électromagnétique ( 10-5 s).
La lumière est née et les particules de matière sont devenues massives
grâce au « mécanisme de Higgs », objet des recherches prévues au LHC.
e : Période plus longue (370.000 années) pendant laquelle se forment les
protons, les neutrons et les noyaux légers, au sein d’un milieu ionisé
(plasma) opaque à la lumière
f : La lumière s’est échappée sous forme de rayonnement de fond
cosmologique, révélant les grandes structures de l’univers.
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La lumière, fil conducteur des modèles
standards

21. 21
• Un flash de lumière, émis 370000 ans après le big
bang, quand l'univers est devenu transparent
• Découvert, par hasard, par Penzias et Wilson en 1965
• Analysé en grands détails, il donne des informations
sur le contenu en énergie de l'univers et sur la
formation des galaxies et des amas de galaxies
Le rayonnement de fond cosmologique
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La lumière, fil conducteur des modèles
standards

22. 22
La carte angulaire du rayonnement de fond cosmologique
révèle les inhomogénéités de l’univers primordial
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La lumière, fil conducteur des modèles
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23. 2329/07/2015
La lumière, fil conducteur des modèles
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24. Dates Cadre théorique Gravitation Électro
magnétisme
Interaction
faible
Interaction
forte
17ème
siècle
Galilée, Newton Newton
19ème
siècle
Mécanique
analytique,
thermodynamique
statistique
Maxwell
1895-
1898
Rayons X, électron, radioactivité
1900-
1930
Mécanique
quantique
1905-
1915
Relativité Einstein
1930-
1970
Théorie quantique
des champs
Big bang QED Fermi Yukawa
1970-
2012
Théories de jauge CDM Théorie électrofaible de
Glashow, Salam, Weinberg et
Brout, Englert et Higgs
QCD
2012- … Décohérence,
théorie quantique
de l’information,
Holographie
Grande unification? Supersymétrie ? Matière
sombre ?Inflation ?Gravitation quantique ?
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25. Pourquoi faisons-nous tout cela?
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26. The Higgs boson
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27. 29/07/2015
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27
Analyse complète des données fournies par le
satellite Planck (fin 2015)

28. Première photo depuis la surface de la
comète Tchouri transmise par le robot Philae
le 13/11/2014
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La lumière, fil conducteur des modèles
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28

29. « L’objet d’une théorie cosmogonique est de
rechercher des conditions initiales idéalement
simples d’où a pu résulter, par le jeu des forces
physiques connues, le monde actuel dans
toute sa complexité. »
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30. Un nouveau grand récit de l’univers
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« Le monde est une belle histoire que chaque génération
s’efforce d’améliorer. Les tourbillons de Descartes n’ont pas
survécu aux progrès de la science ; peut-être pourtant reste-t-il
quelque chose de l’attitude mentale qui faisait dire à Descartes
Mundus est fabula dans ce que Poincaré appelait plus tard les
hypothèses cosmogoniques par lesquelles l’homme ne peut
s’empêcher d’essayer de se raconter l’histoire de l’univers et de
reconstituer son évolution passée. »
Georges Lemaître, L’hypothèse de l’atome primitif (note
présentée lors de la séance du 8 février 1948 de l’Académie
Pontificale des Sciences, Acta Pontificiae Academiae
scientiarum, t.XII, 1948, n° 6, pp. 25-40. (Cité par Dominique
Lambert,Un atome d’Univers, op.cit. p. 315)

31. 29/07/2015
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"Au-dessus du sujet, au-delà de l'objet immédiat, la science
moderne se fonde sur le projet. Dans la pensée scientifique, la
méditation de l'objet par le sujet prend toujours la forme du projet."
Gaston Bachelard "Le nouvel esprit scientifique" PUF Paris 1934,
p. 15
« La fonction du référentiel est implacablement double et
ambivalente. Il met, d’une part, le projet d’exister en situation,
donnant forme aux conditions du pouvoir-être et à l’obligation du
devoir-être. D’autre part, le projet qu’il conditionne ainsi n’est pas
un projet quelconque, c’est un projet d’exister. »
F. Gonseth, op.cit., p. 198
« L’être vivant est un objet porteur d’un projet d’exister. »,
Jacques Monod, cité par Gonseth

32. « Par l’espace, l’univers me
comprend et m’engloutit comme
un point. Par la pensée, je le
comprends » Pascal, Les pensées
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