Table des Matières - Editions Ellipses
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Table des matières Introduction _______________________________________________5 1. A la découverte des particules ____________________________7 1. Tout est quantité ___________________________________________ 7 L’atome et ses constituants __________________________________________ 9 Les particules élémentaires _________________________________________ 11 Particules et nombres quantiques ____________________________________ 15 2. Dis-moi comment tu interagis, je dirais qui tu es ________________ 15 Observer les particules _____________________________________________ La vie tumultueuse des électrons _____________________________________ Coller des protons _________________________________________________ Hécatombe chez les neutrons _______________________________________ Petite gravité deviendra grande ______________________________________ Anatomie des interactions __________________________________________ 3. Le grand zoo des particules __________________________________ 32 Classer les particules _______________________________________________ Repérer ce qui est conservé _________________________________________ « Three quarks for Muster Mark » ____________________________________ Les mystères de l’isospin ___________________________________________ Les interactions et leurs charges _____________________________________ L’antimatière _____________________________________________________ La synthèse du modèle standard _____________________________________ 2. 15 21 23 25 26 28 32 34 36 39 41 43 46 Des objets relativistes et quantiques _____________________49 1. Un monde relativiste _______________________________________ 49 Un infiniment petit infiniment rapide _________________________________ Les piliers de la relativité ___________________________________________ L’espace et le temps élastiques ______________________________________ La covariance ou la pierre angulaire de la relativité_______________________ Le poids de l’énergie _______________________________________________ 2. 49 50 55 57 59 Onde ou corpuscule ? ______________________________________ 61 La découverte des quanta __________________________________________ 61 La dualité onde-corpuscule _________________________________________ 63 2 Table des matières 3. La mécanique quantique ____________________________________ 68 Onde de probabilité _______________________________________________ 68 Gros plan sur l’équation de Schrödinger _______________________________ 74 Impossible mesure ________________________________________________ 78 Une illustration des relations d’incertitude : la durée et la portée des interactions _________________________________ 83 Ne parler que de ce qui est observable ________________________________ 84 Mesure et point de vue ____________________________________________ 92 Fonction d’onde, états quantiques et probabilités _______________________ 95 Jouer avec les états quantiques _____________________________________ 100 Mécanique quantique et mouvement ________________________________ 103 4. Les particules comme des objets quantiques __________________ 112 Le spin des particules _____________________________________________ 112 Particules et états quantiques ______________________________________ 117 Vers une mécanique quantique relativiste ____________________________ 118 3. Des champs quantiques _______________________________123 1. Rayonnement, matière et champs quantiques _________________ 124 Le rayonnement _________________________________________________ 125 L’onde de probabilité des photons et l’onde électromagnétique ___________ 127 La matière-rayonnement __________________________________________ 128 2. Le concept de champ en physique ___________________________ 129 Un nouvel objet physique à modéliser ________________________________ 129 Les singulières propriétés des champs ________________________________ 137 Zoom sur l'énergie du champ _______________________________________ 139 3. Vers une théorie quantique des champs ______________________ 140 Quantifier un champ ? ____________________________________________ Un oscillateur harmonique quantique ________________________________ De l’oscillateur harmonique quantique aux champs quantiques ___________ Le vide comme un état singulier du champ ____________________________ Une illustration de l’énergie du vide : l’effet Casimir _____________________ Vers une théorie des champs quantique et relativiste ___________________ 4. 140 141 144 148 149 152 L’électrodynamique quantique ______________________________ 152 Champs ou potentiels ? ___________________________________________ Quantifier le champ électromagnétique ______________________________ Le photon ______________________________________________________ Electrodynamique quantique, photons et rayonnement de corps noir : une tentative de synthèse _________________________________________ 153 155 161 164 Table des matières 5. Les champs en interaction __________________________________ 167 Qu’est-ce qu’une interaction de particules quantiques ? _________________ La roulette des interactions quantiques _______________________________ L’interaction vue comme une perturbation ____________________________ Le cas des interactions électromagnétiques ___________________________ Les mystérieuses particules virtuelles ________________________________ 6. 3 167 168 170 174 178 Des difficultés... et des solutions ____________________________ 181 Le cauchemar des infinis___________________________________________ 181 La renormalisation _______________________________________________ 184 4. Des objets riches en symétries __________________________189 1. Un monde de symétries____________________________________ 189 Les symétries en physique _________________________________________ Symétrie, invariance et lois de conservation ___________________________ Symétries et physique quantique ____________________________________ Symétries et théorie des groupes ____________________________________ Les mystères de SU(2)_____________________________________________ 2. Quelques symétries particulières ____________________________ 209 La conjugaison de charge __________________________________________ Le renversement du temps _________________________________________ La parité ou le monde vu dans un miroir ______________________________ Parité, chiralité, hélicité et symétrie CP _______________________________ La symétrie CPT__________________________________________________ 3. 189 193 197 199 208 209 212 214 217 221 Relativité et symétries _____________________________________ 222 Une réinterprétation de la relativité restreinte _________________________ 222 Un Univers indépendant du mouvement : la relativité générale ____________ 223 Un Univers indépendant de l’échelle : la théorie de Weyl _________________ 232 5. Le modèle standard __________________________________235 1. Les théories de jauge ______________________________________ 236 Symétries globales et symétries locales _______________________________ La gravitation au secours de la géométrie _____________________________ Le paradoxe du potentiel électromagnétique __________________________ La roue électromagnétique ________________________________________ Espaces fibrés, connexions et potentiels ______________________________ La théorie de Yang et Mills ou l’archétype des théories de jauge ___________ 236 237 242 246 251 256 4 Table des matières 2. La chromodynamique quantique (QCD) _______________________ 263 L’idée de quarks _________________________________________________ Quarks et multiplets de hadrons ____________________________________ De la théorie des quarks à la chromodynamique quantique _______________ Confinement et liberté asymptotique des quarks _______________________ 3. 263 265 268 273 L’interaction électrofaible __________________________________ 278 Les bizarreries de l’interaction faible _________________________________ De la théorie de Fermi à la théorie V–A _______________________________ L’isospin faible ou la renaissance de la théorie de Yang-Mills ______________ Donner une masse aux bosons ______________________________________ Un mariage de raison : l’interaction électrofaible _______________________ 278 279 281 284 287 4. La question des infinis _____________________________________ 291 5. Au-delà du modèle standard________________________________ 292 Une théorie inachevée ____________________________________________ À la recherche d'un modèle standard unifié ___________________________ Les deux écritures du Monde _______________________________________ L’astuce des super-cordes _________________________________________ Quantifier l’espace-temps _________________________________________ 292 293 296 298 301 Compléments ____________________________________________307 1. L’action et le principe de moindre action______________________ 307 2. Les ondes _______________________________________________ 311 Un phénomène qui se déploie dans l’espace et dans le temps _____________ La phase des ondes _______________________________________________ Interférences____________________________________________________ Les ondes stationnaires ___________________________________________ La décomposition spectrale d’une onde ______________________________ 3. 311 312 313 314 316 Le champ électromagnétique _______________________________ 317 La notion de champ électrique ______________________________________ 317 Le champ magnétique ____________________________________________ 318 Le « fluide » électromagnétique de la physique classique _________________ 319 Index_____________________________ ___________________________________________________325
