temps microscopique.
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Physique du temps / temps de la physique II : physique microscopique et fin des certitudes Loı̈c Villain Laboratoire de Mathématiques et Physique Théorique, Univ. Tours [email protected] UE libre Loı̈c Villain (LMPT) Temps Avril 2015 1 / 37 Résumé des épisodes précédents Temps de la physique newtonienne temps linéaire universel (partout le même) absolu (indépendant de tout phénomène ou observateur) chronologie et notion de simultanéité absolues Temps et espace relativistes durées et distances dépendent de l’observateur mais aussi de l’énergie présente → espace-temps pas absolu notion de naissance du temps et idée de l’évolution de l’Univers définition locale du temps et possibilité de régions causalement séparées Questions et limites de la théorie premiers instants de l’Univers et intérieur des trous noirs ? → singularités (= infinis) témoignent des limites de la théorie → besoin de savoir décrire l’espace-temps aux toutes petites échelles... Loı̈c Villain (LMPT) Avril 2015 2 / 37 Plan 1 Constituants microscopiques 2 Flèche du temps et déterminisme 3 L’étrange temps microscopique Loı̈c Villain (LMPT) Avril 2015 3 / 37 Constituants microscopiques 1 Constituants microscopiques Loı̈c Villain (LMPT) Avril 2015 4 / 37 Constituants microscopiques Matière discrète ou continue Constitution de la matière question de la divisibilité ? → matière discrète ou continue ? quatre éléments (Empédocle −490 – −435 ?) : Eau, Terre, Feu, Air solides de Platon quatre qualités élémentales pour Aristote (monde sublunaire) + cinquième élément, la quinte essence ou l’éther, pour le Cosmos → vision continue → pas de vide Loı̈c Villain (LMPT) Avril 2015 5 / 37 Constituants microscopiques Atomes antiques Limite à la divisibilité de la matière (Démocrite, −460 – −370) Si tout corps est divisible à l’infini, de deux choses l’une : ou il ne restera rien ou il restera quelque chose. Dans le premier cas la matière n’aurait qu’une existence virtuelle, dans le second cas on se pose la question : que reste-t-il ? La réponse la plus logique, c’est l’existence d’éléments réels, indivisibles et insécables appelés donc atomes. Démocrite suppose l’existence de différents types d’atomes crochus → idée (presque) oubliée pendant longtemps... Loı̈c Villain (LMPT) Avril 2015 6 / 37 Constituants microscopiques Corpuscules et théorie cinétique des gaz Corpuscules corpuscules utilisés par Newton dans sa dynamique (et son optique) 1733 : Daniel Bernoulli explique la pression et la température des gaz à l’aide d’un modèle de collisions de corpuscules 1784 : Haüy propriété des cristaux ↔ symétrie dans l’organisation d’atomes ? 1827 : mouvement brownien (→ explication théorique : Einstein, 1905) 1866 : Maxwell, Boltzmann, etc. → physique statistique Loı̈c Villain (LMPT) Avril 2015 7 / 37 Constituants microscopiques Le retour des atomes Chimie du XVIIIème mesure de quantités de matière lors de réactions chimiques avec gaz → principe de conservation de la masse (citation Lavoisier) Lavoisier, 1785 : décomposition de l’eau → notion de molécule (Avogadro en 1811) 1804 : loi des proportions multiples (1 volume de dihydrogène et 1 volume de dichlore → deux volumes chlorure d’hydrogène) par Dalton 1869 : table périodique de Mendeleiev Loı̈c Villain (LMPT) Avril 2015 8 / 37 Flèche du temps et déterminisme 2 Flèche du temps et déterminisme Loı̈c Villain (LMPT) Avril 2015 9 / 37 Flèche du temps et déterminisme Déterminisme Les mêmes causes donnent les mêmes effets principe apparemment valable à notre échelle ex. : objet lâché → chute libre réalité plus complexe ex. : nombre de débris ? (chaos possible) sensibilité aux conditions initiales impossibilité de prédictions fiables à long terme → comportement probabiliste en pratique (météo, diffusion, etc.) Loı̈c Villain (LMPT) Avril 2015 10 / 37 Flèche du temps et déterminisme Déterminisme fondamental ? Indéterminisme si beaucoup de liberté degrés de si précision insuffisante dans les mesures résultat de la collision imprévisible Loı̈c Villain (LMPT) résultat de la collision prévisible Avril 2015 11 / 37 Flèche du temps et déterminisme Irréversibilité et flèche du temps Monde macroscopique film qui passe à l’envers : distinction possible ou impossible → flèche du temps (passé distinct du futur) en physique relativiste : reste vrai mais localement ou entre évènements causalement liés Loı̈c Villain (LMPT) évènement peu crédible en inversant le sens du temps → irréversibilité des phénomènes Avril 2015 12 / 37 Flèche du temps et déterminisme Réversibilité et absence de flèche du temps Monde microscopique pas de flèche du temps si peu de corpuscules → situation possible obtenue en jouant le film à l’envers réversibilité masquée si beaucoup de particules ? Loı̈c Villain (LMPT) impossible de distinguer le sens correct d’écoulement du temps → phénomène réversible Avril 2015 13 / 37 Flèche du temps et déterminisme Réversibilité fluide deux colorants dans un fluide mélangés par la rotation de celui-ci Loı̈c Villain (LMPT) en inversant le sens de rotation on démélange les deux colorants Avril 2015 14 / 37 Flèche du temps et déterminisme Une flèche du temps statistique ? flèche du temps et indéterminisme = effets statistiques ? (question : lien avec flèche du temps cosmologique ?) Loı̈c Villain (LMPT) Avril 2015 15 / 37 L’étrange temps microscopique 3 L’étrange temps microscopique Loı̈c Villain (LMPT) Avril 2015 16 / 37 L’étrange temps microscopique Les atomes ne sont pas insécables 1897 : découverte de l’électron, de masse faible devant celle de l’atome et de charge électrique négative → modèle du pudding de Thomson ; modèles d’atomes proposés avant même la reconnaissance de leur existence (Einstein, 1905 : explication du mouvement brownien ; 1906 : suicide de Boltzmann) Loı̈c Villain (LMPT) Avril 2015 17 / 37 L’étrange temps microscopique Les atomes ne sont pas éternels 1895, Röntgen : découverte des rayons X (produits par décharge de tubes cathodiques) ; 1896, Becquerel & les Curie : découverte de la radio-activité naturelle → plusieurs types de rayonnement (alpha, beta, gamma) ; 1901, Rutherford & Soddy : radio-activité = transmutation → les atomes sont-ils vraiment insécables et éternels ? Loı̈c Villain (LMPT) Avril 2015 18 / 37 L’étrange temps microscopique Expérience de Rutherford 1911, Rutherford : projectiles (noyaux d’hélium) lancés vers feuille d’or : la plupart passent sans être déviés mais certains font demi-tour → la matière est principalement faite de vide ! Loı̈c Villain (LMPT) Avril 2015 19 / 37 L’étrange temps microscopique Modèle de Rutherford modèle atomique planétaire → atome 100 000 fois plus grand que noyau... → instable selon la théorie ! (rayonnement électromagnétique) Loı̈c Villain (LMPT) Avril 2015 20 / 37 L’étrange temps microscopique Modèle de Bohr et hypothèse de de Broglie 1913, Bohr : orbitales atomiques quantifiées 1923, de Broglie : onde de matière λ = h/p (avec p = masse × vitesse pour particules massives) → dualité onde-corpuscule ! Loı̈c Villain (LMPT) Avril 2015 21 / 37 L’étrange temps microscopique Photons et effet photo-électrique 1905, Einstein : effet photo-électrique se comprend bien en supposant qu’il existe des particules lumineuses avec E = h ν et p = h/λ (p : quantité de mouvement ; λ longueur d’onde) → prix Nobel de physique en 1921 lumière parfois onde (interférence, diffraction), parfois particule ? Loı̈c Villain (LMPT) Avril 2015 22 / 37 L’étrange temps microscopique Dualité onde-particule selon l’expérience il faut décrire les particules soit comme des corpuscules, soit comme des ondes : → principe de complémentarité (1927 : diffraction d’électrons) besoin d’un changement de paradigme ( dialectique ) ? Loı̈c Villain (LMPT) Avril 2015 23 / 37 L’étrange temps microscopique Dualité onde-particule selon l’expérience il faut décrire les particules soit comme des corpuscules, soit comme des ondes : → principe de complémentarité (1927 : diffraction d’électrons) besoin d’un changement de paradigme ( dialectique ) ? exemple similaire : que peut être un système si parfois on voit un rectangle et parfois un disque quand on l’observe ? Loı̈c Villain (LMPT) Avril 2015 23 / 37 L’étrange temps microscopique Dualité onde-particule selon l’expérience il faut décrire les particules soit comme des corpuscules, soit comme des ondes : → principe de complémentarité (1927 : diffraction d’électrons) besoin d’un changement de paradigme ( dialectique ) ? exemple similaire : que peut être un système si parfois on voit un rectangle et parfois un disque quand on l’observe ? → description des particules quantiques par de nouveaux objets mathématiques Loı̈c Villain (LMPT) Avril 2015 23 / 37 L’étrange temps microscopique Fentes de Young : onde Loı̈c Villain (LMPT) Avril 2015 24 / 37 L’étrange temps microscopique Fentes de Young : corpuscules Loı̈c Villain (LMPT) Avril 2015 25 / 37 L’étrange temps microscopique Fentes de Young : particules quantiques ? ? Loı̈c Villain (LMPT) Avril 2015 26 / 37 L’étrange temps microscopique Fentes de Young : particules quantiques observées Loı̈c Villain (LMPT) Avril 2015 27 / 37 L’étrange temps microscopique Indétermination et onde de probabilité observation change l’état : particule vivante ou pas limite intrinsèque sur la précision → indétermination de Heisenberg (ex. : position / vitesse) → plus de déterminisme version moderne : atome quantique avec probabilité de présence Loı̈c Villain (LMPT) Avril 2015 28 / 37 L’étrange temps microscopique Atomes quantiques comportement probabiliste des particules instables probabilité de désintégration par unité de temps → temps de demi-vie sens seulement pour un ensemble de particules : une particule isolée n’a pas d’âge ! → la durée écoulée n’a d’existence que statistique ! Loı̈c Villain (LMPT) Avril 2015 29 / 37 L’étrange temps microscopique Chat de Schrödinger chat dans boite avec atome radioactif et poison le chat est décrit par une combinaision d’états : |mort > + |vivant > √ 2 observation → état vivant ou mort → le réel est la somme de tous les possibles |chat > = Loı̈c Villain (LMPT) Avril 2015 30 / 37 L’étrange temps microscopique Datation quantique et intrication Quand est mort le chat ? état décidé au moment de l’observation → observation ≡ événement daté et distinction avant/après problème si deux particules liées → propagation instantanée ? impossibilité de penser les deux particules (qui ont interagi autrefois) comme deux entités séparées → états intriqués pour lesquels la notion de distance n’a pas de sens Loı̈c Villain (LMPT) Avril 2015 31 / 37 L’étrange temps microscopique Bestiaires des particules Rayons cosmiques 1912, Hess : atmosphère frappée en continu par des rayons cosmiques 1932, Anderson : découverte du positon (semblable à e− mais charge positive) → antimatière prédite peu avant par Dirac 1948, Feynman : antimatière se comporte comme une matière qui remonte le temps ! 1964, violation de CP : parfois matière et antimatière voient une flèche du temps aux échelles subatomiques Loı̈c Villain (LMPT) Avril 2015 32 / 37 L’étrange temps microscopique Indéterminisme quantique et fluctuations Vide et espace-temps le vide au sens classique est trop déterminé → vide quantique probabiliste et fluctuant (particules virtuelles) principes quantiques s’appliquent pour tous les systèmes physiques → espace-temps quantique → aux petites échelles on voit des fluctuations quantiques → mousse d’espace-temps (nombreux mini-trous de vers) → notion d’espace-temps obsolète ! (espace-temps discret et probabiliste) Loı̈c Villain (LMPT) Avril 2015 33 / 37 L’étrange temps microscopique Gravitation et physique quantique Trous noirs quantiques rayonnement quantique (de Hawking) : les trous noirs s’évaporent... les singularités ne sont plus de Loı̈c Villain (LMPT) vrais infinis → univers dans trou noir ? Avril 2015 34 / 37 L’étrange temps microscopique Conclusion : définition de la seconde vers l’an 1000 (Al-Biruni, Perse) : fraction 1/86 400 du jour solaire moyen ... 1956 : fraction 1/31 556 925,9747 de l’année tropique 1900 ... 1967 : durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les niveaux hyperfins F=3 et F=4 de l’état fondamental 6 S1/2 de l’atome de césium 133 ... 1997 : Cette définition se réfère à un atome de césium au repos, à une température de 0 K ... 2020 : ? Loı̈c Villain (LMPT) Avril 2015 35 / 37 L’étrange temps microscopique Résumé final Temps classique temps universel et absolu durées et distances absolues simultanéité et chronologie absolues déterminisme Temps moderne durées et distances dépendent de l’observateur mais aussi de l’énergie présente → espace-temps pas absolu pas de temps (simultanéité, durée, chronologie) absolu ou universel : notions locales possibilité de régions causalement coupées (horizon) naissance et mort du temps, de l’espace et de la matière ? nature intrinsèquement probabiliste notion émergente d’espace-temps ? (utile à nos échelles mais sans existence fondamentale) Loı̈c Villain (LMPT) Avril 2015 36 / 37 L’étrange temps microscopique Limites de la physique actuelle ? Questions ouvertes origine de la flèche du temps ? description cohérente de l’acte d’observation observateur quantique ? décohérence : pas de superposition d’états à notre échelle ? théorie de la gravitation quantique ? voyage dans le temps ? Loı̈c Villain (LMPT) Avril 2015 37 / 37
