COMPRENDRE LA PHYSIQUE par M RIO André

COMPRENDRE LA PHYSIQUE

rio rio1.La Physique, science de la mesure.

2.La Mécanique de Newton, les grandeurs fondamentales et leurs unités.

3.La Chaleur et ses effets sur la matière .La Thermodynamique.

4.Les vibrations et les ondes .L’Acoustique et l’Optique.

5.L’Electricité et le Magnétisme.

6.Le bilan de la Physique classique.

7.La Relativité, bouquet final de la Physique classique.

8.La Physique quantique.

9.Philosophie de la Physique.

1.La Physique, science de la mesure.

Pour décrire les phénomènes qu’elle étudie, la physique utilise des notions, tantôt concrètes, c’est à dire directement accessibles à nos sens :longueur, masse, tantôt très abstraites : potentiel, entropie, nombres quantiques, mais qui peuvent s’exprimer par des nombres, être mesurables. Elle établit des relations entre ces grandeurs, pour mettre sous forme mathématique les phénomènes concernés.

Beaucoup de personnes considérées comme cultivées manifestent une grande aversion pour les mathématiques, et par conséquent pour la physique .Est-ce une entreprise impossible de leur montrer, sans aucun calcul, que la physique peut être comprise par tous, au moins dans ses principes, qu’on peut s’y intéresser, et qu’elle pose des questions philosophiques fondamentales et passionnantes ? C’est le défi que nous tentons de leur lancer.(Les formules données à titre d’exemples ne sont pas indispensables à la compréhension du texte).

A ceux qui sont curieux de trouver des explications au monde qui nous entoure, la Chimie, la Biologie, et avant tout la Physique apportent des réponses précises et sûres et des moyens d’action efficaces que les anciens penseurs ont recherchés en vain dans leurs cogitations, et que, de nos jours encore, des esprits fumeux, empruntant sans discernement le vocabulaire scientifique, prétendent indûment posséder.

Contrairement à eux, les physiciens ne prétendent pas tout expliquer tout de suite, et si leur science continue de progresser, c’est qu’ils auront toujours des progrès à faire, sans jamais sans doute en trouver les limites.

On distingue deux étapes dans l’histoire de la physique ;la première ,dite classique, remonte à Galilée(1564-1642) qui le premier, ne se contentant plus de discours, expérimente,fait des mesures sur la chute des corps et tente d’en dégager des lois.

Descartes(1596-1650),grand mathématicien, physicien et philosophe célèbre, contribue à la fondation de l’optique, mais s’égare en tentant prématurément d’expliquer les phénomènes de la vie .Newton, père de l’attraction universelle et du calcul intégral, s’intéresse aussi à l’optique .S’ils ont tous deux contribué de façon essentielle aux débuts de la physique, ils sont encore tout imprégnés de dogmatisme, et la méthode expérimentale ne se développera de façon rigoureuse qu’à la fin du XVIIIème siècle .Seule une partie de leur œuvre a survécu :la métaphysique de Descartes, l’alchimie de Newton n’ont plus qu’un intérêt historique.

La méthode expérimentale.

Ni dogme ni idéologie, la méthode expérimentale n’est rien de plus qu’une méthode de travail efficace, mais elle a rendu caducs les modes de pensée qui l’ont précédés.

Elle consiste à confronter en permanence les faits observés et les théories par lesquelles on tente de les expliquer .Elle exige avant tout une ascèse intellectuelle stricte, excluant la soumission à toute idée préconçue :seuls les faits s’imposent, et ils doivent être décrits de façon précise et reproductible .En physique, ils se décrivent au moyen de grandeurs mesurables bien définies .Il faut ensuite interpréter ces faits par des théories cohérentes et vérifiables .Une théorie est d’autant plus crédible qu’elle permet de prévoir plus de résultats, mais elle ne doit jamais être considérée comme absolue et définitive.

Qu’y a-t-il dans la physique classique ?

Elle concerne:

La matière, ses mouvements, ses changements, le déplacement des objets soumis à des forces, les vibrations, les changements d’état, solide, liquide et gaz.

La chaleur, ses différentes actions sur la matière, sa transformation en mouvement dans les machines à vapeur et les moteurs thermiques.

L’électricité : les charges statiques, les courants électriques et l’électronique.

Le magnétisme : le champ magnétique terrestre, les aimants, les électroaimants, l’induction électromagnétique et les moteurs électriques.

Les rayonnements : la lumière, les ondes radio.

L’énergie, notion fondamentale de la physique, est la monnaie commune à tous ces domaines, qui permet les transformations du mouvement en chaleur, en électricité, et toutes autres formes, sans qu’il y ait ni perte ni gain dans le bilan global : la quantité d’énergie reste constante.

2.La mécaniques de Newton, les grandeurs fondamentales de la Physique et leurs unités.

Pour décrire les phénomènes étudiés, il faut définir un certain nombre de grandeurs, et d’abord trois grandeurs fondamentales dont nous avons une notion intuitive. Les unités du système international(SI) et leurs multiples sont indiqués entre parenthèses.

La longueur(l) (le mètre).

La masse(m) (le kilogramme).

Le temps(t) (la seconde).

On sait mesurer ces grandeurs avec une extrême précision, et elles servent à définir toutes les autres par des relations simples :

La vitesse (v = l/t) (le mètre par seconde).

L’accélération(=v/t) (le mètre/seconde par seconde).

La force (F =m) (le newton) qui peut mettre une masse en mouvement ou provoquer une déformation. Le newton est la force exercée par la pesanteur à la surface de la Terre sur une masse d’environ 100 grammes.

L’énergie (E = f. l) (le joule et son multiple le Kwh=3,6.106 joules). L’énergie est l’effort à dépenser pour déplacer une masse ou l’accélérer.

La puissance(P=E/t) (le watt)est l’énergie dépensée ou fournie par seconde.

La pression (p = F /s) (le pascal=1 newton par m² et le bar=105pascals), force par unité de surface.

Au moyen de ces grandeurs, on peut interpréter mathématiquement un grand nombre de phénomènes grâce à deux notions fondamentales :

L’inertie : une masse qui n’est soumise à aucune force reste immobile ou garde une vitesse constante.

L’attraction universelle : deux masses s’attirent selon la loi de Newton :

F = G m 1m2/d²

G: constante de l’attraction universelle=6,672.10-11(SI).

d: distance des deux masses.

On peut ainsi calculer avec une grande précision la chute des corps, les mouvements des astres, des satellites artificiels et des sondes interplanétaires.

1-image

La masse, quantité de matière, se compte en kilogrammes 2-image-ane

La force se compte en newtons 3-image

Le poids, force due à la pesanteur, se compte en newtons

3.La chaleurs et ses effets sur la matière. La thermodynamique.

Le chaud et le froid n’ont pas toujours été compris comme ils le sont actuellement. Au XVIéme siècle encore, les minéraux et les végétaux étaient considérés comme chauds ou froids par nature (exemple : le diamant est froid). L’invention du thermomètre a permis une détermination chiffrée objective de la température, mais la notion de chaleur est restée ambiguë plus longtemps encore , jusqu’au XIXème siècle. Elle était considérée comme un fluide, une matière subtile qui pénétrait les corps.

La température peut être comparée au niveau de l’eau dans une retenue, la chaleur à la quantité d’eau en amont du barrage. Si la température, qui s’exprime en degrés, est une échelle qui permet de déterminer le niveau d’échauffement des objets, la chaleur est une quantité, comptée en calories, qui dépend de la masse de ces objets

La chaleur est une forme d’énergie.

Toutes les autres formes d’énergie peuvent être transformées entièrement en chaleur : énergie mécanique(les freins s’échauffent), électrique(les radiateurs électriques), chimique(les combustions), nucléaire(la radioactivité et les centrales nucléaires).

On peut donc aussi bien mesurer la chaleur en calories et en joules :

1 calorie = 4,18 joules

Ou en kilowatts.heure : 1 Kwh = 1000 x 3600/4,18 = 8,6.105 calories.

La chaleur est une forme dégradée d’énergie.

La transformation inverse ne peut jamais être complète : on ne peut pas transformer intégralement la chaleur en une autre forme d’énergie. C’est pourquoi les centrales thermiques ou nucléaires, les moteurs à combustion et les machines à vapeur ont un rendement limité : ils doivent fonctionner entre une source chaude qui fournit la chaleur(température T1) et une source froide (l’extérieur) qui en absorbe une partie(température T2), avec un rendement maximum théorique jamais atteint :

rendement (r) = (T1-T2)/T1

T est la température comptée au-dessus du zéro absolu(-273°C), à laquelle un corps ne renferme plus aucune chaleur.

Ce caractère de la chaleur a fait introduire une autre notion : l’entropie (S).

S = Quantité de chaleur/Température absolue = Q/T

4-machine-a-vapeur

Dans un système isolé de l’extérieur, l’entropie ne peut qu’augmenter, par exemple quand on transforme une autre forme d’énergie en chaleur, et elle ne peut jamais diminuer : on peut créer de l’entropie, mais non la détruire, alors que la quantité totale d’énergie reste constante. Quand on mélange deux substances différentes, on crée aussi de l’entropie, car l’opération inverse ne peut se faire spontanément et exige un apport d’énergie

Les effets de la chaleur.

La dilatation. Tous les corps se dilatent en s’échauffant ; c’est cette propriété qui est utilisée dans les thermomètres. Les gaz se dilatent beaucoup plus que les solides et les liquides, selon la formule :

p.v = R.T

p:pression ; v:volume ; R:constante des gaz parfaits = 8,3 (SI) ; T :température absolue.

Les changements d’état. La fusion exige un apport de chaleur(chaleur de fusion), qui est restituée à l’extérieur dans le phénomène inverse, la solidification. Il en est de même de la vaporisation d’un liquide, de la sublimation d’un solide.

Qu’est-ce que la chaleur ?

Tout ce qui précède n’apprend rien sur la nature de la chaleur. C’est à la fin du XIXème siècle qu’on a compris que la chaleur n’est rien d’autre que l’agitation désordonnée de la matière. Cette agitation est d’autant plus intense que la température est plus élevée.

Dans le cas le plus simple, celui des gaz, les molécules qui les constituent sont animées de vitesses désordonnées et s’entrechoquent continuellement. On peut définir une vitesse moyenne directement liée à la température :

1/2 m.v² = 3/2 R/N.T

m:masse d’une molécule ; v:vitesse moyenne des molécules ; R:constante des gaz parfaits ; N :nombre d’Avogadro = 6,02.1023 ; T: température absolue.

Dans les liquides, les molécules s’agitent également, se lient et se séparent constamment sous l’effet de liaisons faibles .Dans les solides, les liaisons sont permanentes, et l’agitation se traduit principalement par des vibrations .Une élévation de la température favorise la rupture des liaisons, entrainant la fusion des solides et la vaporisation des liquides.

4. Les vibrations et les ondes .L’acoustique et l’optique.

Les vibrations interviennent dans presque tous les domaines de la physique, chaque fois qu’un système oscille de part et d’autre de sa position d’équilibre .Il peut s’agir d’un ressort, d’une lame métallique, d’une corde ou d’un pendule, mais aussi de la pression de l’air, d’un courant électrique, d’un atome ou d’une grandeur abstraite :champ électromagnétique ou fonction d’onde.

Le cas le plus simple, celui d’une vibration sinusoïdale, s’exprime par la formule:

a = am sin 2 t

a:amplitude ; am:amplitude maximum ; fréquence ou nombre d’oscillations par seconde ; t:temps, et se caractérise donc par son amplitude et sa fréquence.

Une onde est une vibration qui se propage .C’est le cas des vagues sur l’eau, des sons, de la lumière et des ondes radio .Deux autres grandeurs caractérisent une onde :sa vitesse et sa longueur d’onde, c’est à dire la distance entre deux vagues ou deux maxima successifs.

Certaines ondes ont besoin d’un support matériel :le son se propage dans l’air ou dans un milieu solide ou liquide .D’autres peuvent se propager dans le vide, comme la lumière et les ondes radio.

L’acoustique.

Un son est provoqué par exemple par la vibration d’un instrument de musique à vent ou à corde, qui se propage dans l’air à environ 300 mètres par seconde, et qui peut être détecté par l’oreille ou par un microphone. Les ondes audibles ont des fréquences comprises environ entre 50(son grave)et quelques milliers(sons aigus).Au delà se situent les ultrasons .Un son pur correspond à une fréquence unique, mais il est généralement accompagné d’harmoniques qui en sont des multiples :Le premier harmonique a une fréquence double de celle du son principal .Ce sont les harmoniques qui donnent leur tonalité particulière aux instruments ;la fréquence du son est directement liée à la longueur de la corde ou du tuyau de l’instrument.

L’optique.

Comme dans le cas de la chaleur, on a étudié les propriétés de la lumière bien avant d’en connaître la nature.

Propriétés géométriques de la lumière.

1.La lumière se propage en ligne droite dans un milieu homogène.

2.La lumière se réfléchit sur un miroir selon un angle égal à l’angle d’incidence.

3.La lumière est déviée quand elle passe d’un milieu à un autre :elle se réfracte selon la loi de Descartes:

sin i = n sin r

i :angle d’incidence ; r :angle de réfraction ; n :indice de réfraction.(n = 1 dans le vide et pratiquement aussi dans l’air).

Les applications de ces propriétés sont nombreuses :utilisations de miroirs, de prismes, de lentilles convergentes ou divergentes, éléments des instruments d’optique :loupes,lunettes, jumelles, télescopes, microscopes.

Propriétés physiques de la lumière .Newton a montré que la lumière blanche est un mélange correspondant aux différentes couleurs ,du violet au rouge .Un prisme, qui les dévie différemment, permet de les séparer en un spectre analogue à un arc en ciel dans lequel le violet est le plus dévié .La lumière est une onde qui se propage dans le vide à la vitesse de 300 000 km par seconde .Aux différentes couleurs correspondent des longueurs d’onde comprises entre 0,4 µm(micromètre)pour le violet et 0,8 µm pour le rouge.

La lumière, phénomène vibratoire, peut donner lieu aussi à des interférences :quand on réunit deux faisceaux lumineux, il peut y avoir soit addition soit soustraction des vibrations, ce qui donne sur un écran une alternance de zones claires et sombres.

Contrairement aux sons, dont les vibrations se font parallèlement à la direction de propagation, les vibrations de la lumière lui sont perpendiculaires, comme les rayons d’une roue par rapport à son axe Dans la lumière ordinaire, les vibrations se font dans toutes les directions, mais on peut lui imposer une direction unique, comme si l’on gardait un seul rayon à la roue .La lumière est alors polarisée ;c’est le cas de la lumière des lasers.

Nature de la lumière.

On a montré au siècle dernier que la lumière est une onde électromagnétique .Au delà du rouge, le spectre électromagnétique comporte également l’infrarouge et les ondes radio aux longueurs d’onde plus grandes, et au delà du violet l’ultra-violet, les rayons X et les rayons aux plus courtes longueurs d’onde.

5. L’électricité et le magnétisme.

Electricité statique et courant électrique.

En frottant une substance isolante, on constate qu’elle peut ensuite attirer de petits débris :papier, poussière, mais on peut aussi observer des répulsions .Ces phénomènes s’expliquent par l’existence de charges électriques de deux sortes, positives et négatives .Les charges de même signe se repoussent, celles de signes contraires s’attirent, selon une loi analogue à celle de l’attraction universelle

f = q q’/d2x9.109 (en unités SI)

f :force d’attraction ou de répulsion(newton);q,q’ :charges électriques(coulomb);d :distance des charges(mètre).

Ces charges se déplacent dans des substances conductrices comme les métaux :ce sont des courants électriques.

Comme on fait circuler de l’eau entre deux niveaux différents, on crée un courant électrique au moyen d’une différence de potentiel, avec des piles ou des batteries ;Ce courant est défini par son intensité, nombre de charges passant par seconde, comme le débit d’une rivière, mais il est freiné par la résistance du conducteur:

I = E/R

I :intensité(ampère ou coulomb par seconde);E :différence de potentiel(volt);R :résistance(ohm).

Ce freinage dégage de la chaleur:

Q = RI2t

Q :chaleur(joule);t :temps(seconde).

L’énergie électrique est ainsi transformée en chaleur.

L’électrolyse.

Une autre propriété du courant électrique est de dissocier les composes ionisables, acides bases et sels .Au passage du courant dans une solution d’électrolyte, entre deux électrodes(anode positive et cathode négative)les ions positifs(H+,métaux)vont vers la cathode, et les ions négatifs(chlorure, sulfate, hydroxy)à l’anode .Cette propriété a de nombreuses applications :fabrication du chlore, de la soude, de l’hydrogène, de l’aluminium ;galvanoplastie.

Le magnétisme.

Le champ magnétique terrestre oriente les aiguilles aimantées, car la Terre se comporte comme un aimant. Tout aimant comporte deux pôles opposés, nord et sud .Ici encore, les pôles de même nom se repoussent et les pôles opposés s’attirent, selon une loi analogue:

f = m m’ / d2x107

m,m’ :masse magnétique(rien de commun avec les masses comptées en Kg);d :distance des masses, mais les masses magnétiques ne peuvent être isolées :si on coupe un aimant en deux, on obtient deux aimants plus petits ayant chacun un pôle nord et un pôle sud.

L’électromagnétisme.

Electricité et magnétisme sont deux aspects complémentaires de l’interaction électromagnétique :un courant électrique crée un champ magnétique qui dévie une aiguille aimantée(expérience d’Oerstedt),et une variation de champ magnétique dans un circuit électrique crée un courant .Un courant alternatif crée un autre courant dans un circuit voisin Les applications de ces propriétés sont très importantes:

Electro-aimants.

Dynamos produisant du courant continu.

Alternateurs produisant du courant alternatif.

Transformateurs abaissant ou élevant la différence de potentiel des courants alternatifs.

Moteurs électriques.

Les ondes électromagnétiques.

Toute variation du champ électrique fait varier le champ magnétique et réciproquement. L’oscillation simultanée de l’un et l’autre se propage dans l’espace :c’est une onde électromagnétique .Telles sont les ondes de la radio, de la télévision, mais aussi celles de plus courte longueur d’onde :infra-rouge ;lumière visible ;ultraviolet, rayons X et.

L’électron et l’électronique.

Les charges électriques négatives sont constituées de particules élémentaires, les électrons, qui se déplacent dans les métaux, mais aussi dans le vide des tubes(diodes, triodes)des récepteurs de télévision, des tubes à rayons X, et dans les semi conducteurs, éléments essentiels des applications de l’électronique .Les ions positifs ou négatifs, beaucoup plus lourds, sont peu mobiles, car formés d’atomes ayant acquis ou perdu des électrons, et se déplacent beaucoup plus lentement dans les électrolytes et dans le vide.

6. Le bilan de la physique classique.

A la fin du XIXème siècle, la physique avait expliqué tous les phénomènes de son domaine connus à l’époque, c’est à dire les avait traduits en équations et pouvait, au moins théoriquement, en calculer tous les effets .Elle avait amorcé une unification de ses différentes parties: optique, électricité et magnétisme avaient acquis une base commune :l’électromagnétisme de Maxwell confirmé expérimentalement par Hertz.

En réaction contre la métaphysique, considérée comme une spéculation stérile, elle s’était longtemps interdit de chercher des explications sous jacentes aux phénomènes directement accessibles, refusait les atomes et les molécules que les chimistes acceptaient de plus en plus.

Quelques percées allaient cependant dans ce sens :la théorie cinétique des gaz de Boltzmann considérait la chaleur comme l’énergie d’agitation des molécules, et les décharges électriques dans les tubes à vide mettaient en évidence l’existence de particules électrisées, les électrons et les ions.

Quelques faits restaient totalement inexplicables:

L’expérience de Michelson et Morley ne parvenait pas à mettre en évidence le mouvement relatif de la Terre par rapport à la lumière.

Les spectres des éléments sont formés de raies distinctes et non d’un fond continu.

Le rayonnement dit du corps noir, échange équilibré entre la lumière et la matière, que Plank n’avait pu interpréter qu’en admettant que cet échange se fait par quantités discontinues (quantas).S’agissait-il d’un simple artifice de calcul ou de la manifestation d’une réalité cachée?

L’effet photoélectrique :le seuil d’extraction d’un électron de la matière par la lumière dépend de sa longueur d’onde et non de son intensité.

La radioactivité :émission continue de rayonnements par l’uranium, source d’une énergie qui semblait inépuisable.

Considérées d’abord comme des anomalies curieuses mais anecdotiques, tous ces faits allaient entraîner une révolution et obliger à prendre en compte la structure intime de la matière et à revoir les notions fondamentales d’espace, de temps et de réalité physique.

7. La Relativité, bouquet final de la Physique classique.

Si l’on observe qu’un objet se déplace, c’est par rapport à un repère considéré comme fixe .On a longtemps pensé que la Terre était immobile, puis on a compris qu’elle tourne sur elle même et autour du soleil .Le soleil n’est pas fixe par rapport aux étoiles, ni les étoiles, ni les galaxies entre elles .Il n’y a pas de référence absolue, pas de mouvement absolu.

La composition des vitesses.

Quand un voyageur se déplace à l’intérieur d’un train ou d’un avion, son mouvement s’ajoute à celui du véhicule qui le transporte .Un projectile lancé d’un véhicule qui se déplace combine également sa vitesse propre à celle du véhicule.

Il s’agit chaque fois d’objets pesants, donc inertes, qu’il faut accélérer pour les mettre en mouvement, mais qu’en est-il de la lumière, onde sans masse ?On avait pensé que la lumière avait besoin d’un support, l’éther, qui aurait été la référence de son déplacement, mais dont les propriétés supposées étaient contradictoires .L’expérience de Michelson et Morley a montré qu’en fait la vitesse de la lumière était indépendante des mouvements de la source et de l’observateur :la lumière n’a besoin d’aucun support pour se propager, et les conséquences en paraissaient paradoxales .Pressenties par FitzGerald, Lorentz et H.Poincaré,elles ont été explicitées par Einstein.

La relativité restreinte.

Lorsque deux observateurs se déplacent l’un par rapport à l’autre à vitesse constante, les mesures que chacun peut faire sur son propre véhicule et sur celui de l’autre, en échangeant avec l’autre des signaux lumineux ne donnent pas les mêmes résultats :les longueurs, le temps et même les masses paraissent différents.

L’une des conséquences en est le paradoxe de Langevin :deux jumeaux dont l’un reste sur terre, tandis que l’autre se déplace à grande vitesse, puis revient, n’ont plus le même âge au retour.5-image-deplacmenet-dans-le-temps

Une autre conséquence de la théorie d’Einstein est que la masse est elle même une forme d’énergie:

E = m C2 C :vitesse de la lumière

Toutes ces déductions de la théorie ont été confirmées par les faits.

La relativité générale.

Einstein a été frappé par l’idée qu’un champ de gravité comme celui de la Terre a des effets identiques à ceux d’une accélération.

Une masse m peut être définie de deux façons: elle attire toute autre masse selon la loi de Newton

f = G M m / d2 c’est la masse gravifique.

Elle oppose son inertie à une force qui l’accélère:

f = m c’est la masse inerte.

L’expérience montre que ces deux masses sont équivalentes

Un objet loin de toute masse importante, qui ne subit aucune force, a une vitesse constante ou nulle .Il en est de même s’il est en chute libre à l’intérieur d’un véhicule prés de la Terre ou en orbite autour d’elle :c’est l’apesanteur .S’il est soumis à une accélération au moyen d’un moteur, il subit le même effet que s’il est immobile sur la Terre :il est attiré vers le bas ou dans la direction opposée à son accélération.

Les conséquences en sont surprenantes, mais ne sont perceptibles que pour de très grandes vitesses, proches de celle de la lumière.

Dans un véhicule animé d’une forte accélération, la somme des trois angles d’un triangle parait supérieure à 180°,et les cotés du triangle paraissent courbes .Le rapport entre la circonférence et le diamètre d’un cercle parait différent de . La lumière elle même semble suivre une trajectoire courbe.

Sur un disque en rotation très rapide au contraire, pour des observateurs situés sur le disque, la somme des angles d’un triangle parait inférieure à 180°,et le rapport de la circonférence au diamètre parait supérieur à .

Ces conséquences ont également été confirmées .On a vérifié que la lumière provenant d’une étoile est déviée au voisinage du soleil, conformément à la théorie.

La relativité générale donne une interprétation géométrique de la gravité :les masses déforment l’espace à leur voisinage.

Malgré ses aspects paradoxaux, la Relativité reste dans le cadre de la Physique classique :elle n’utilise que des grandeurs macroscopiques :longueur,masse, temps, vitesse, accélération ,et ne donne pas la cause profonde des phénomènes .Einstein recherchait avant tout une interprétation globale et harmonieuse du monde.

8.La physique quantique.

Pour interpréter ce que la physique classique ne pouvait pas expliquer, il a fallu créer une physique nouvelle.

Le rayonnement du corps noir.

La première formulation est due à Planck(1858-1947). Elle concerne le rayonnement dit du corps noir :la matière émet et absorbe continuellement de la lumière, ou tout autre rayonnement électromagnétique .On constate expérimentalement que l’énergie rayonnée présente un maximum qui dépend de la température :à température ambiante, il s’agit d’infra-rouge, à 1000°de lumière visible .Pour interpréter ce résultat, Planck dut admettre que les échanges d’énergie se font par quantités discontinues, les quanta, l’énergie d’un quantum étant:

E = h                                h :constante de Planck = 6,61 10-34(SI);     ,fréquence du rayonnement.

L’émission lumineuse des atomes.

La lumière émise par un atome excité se présente sous forme d’une série de raies caractéristiques de l’élément, et non d’un spectre continu perte d’un quantum d’énergie.

L’effet photoélectrique.

Certaines substances, en particulier les métaux alcalins, exposés à la lumière, libèrent des électrons et se comportent comme une pile produisant un courant, mais cet effet n’est possible qu’à partir d’une longueur d’onde suffisamment petite(ou d’une fréquence suffisamment grande):il existe un seuil indépendant de l’intensité de la lumière .Einstein(1879-1955)a considéré que la lumière est formée de particules, les photons, dont l’énergie dépend de la fréquence, selon la théorie de Plank .Cette interprétation allait à l’encontre de tous les résultats de l’optique classique qui considérait la lumière comme une onde.

La radioactivité.

Découverte par Becquerel(1852-1908) et étudiée par Pierre et Marie Curie, elle consiste en une émission de particules et de rayonnements par certains éléments comme l’uranium. Elle s’explique par la décomposition spontanée du noyau des atomes, formés eux mêmes de protons et de neutrons.

Les bases de la physique quantique.

Tous ces résultats sont liés à la nature intime de la matière et du rayonnement :la lumière se propage comme une onde, ce qui se manifeste par les effets d’interférences et de diffraction, mais elle interagit avec la matière comme une particule .La matière est composée d’atomes, constitués eux mêmes d’un noyau massif entouré d’un nuage d’électrons ;le noyau est lui même formé de protons et de neutrons.

Louis de Broglie(1892-1987) a généralisé aux particules matérielles la nature double des photons :à toute particule est associée une onde de longueur d’onde 

λ = h/mv         m :masse de la particule ;     v :sa vitesse ;  h:constante de Planck.

Cette hypothèse a été confirmée expérimentalement peu après par Davisson et Germer: comme la lumière, les électrons peuvent se diffracter et créer des interférences .Le microscope électronique, où les électrons remplacent la lumière, en est une application.

Schroedinger (1887-1961) a donné l’expression la plus générale de la physique quantique dans son équation qui permet de calculer la répartition des électrons dans un système, atome ou molécule .Cette équation s’établit à partir de deux données :la particule se déplace comme une onde ;la longueur d’onde est donnée par la formule de L .de Broglie.

Particules et nombres quantiques.

Une particule peut être caractérisée par des nombres quantiques, entiers ou fractionnaires, qui définissent son état dans un système donné .Par exemple, les électrons dans un atome sont caractérisés par quatre nombres qui précisent leur situation dans l’atome .Le principe de Pauli interdit que deux électrons dans un atome possèdent les quatre mêmes nombres quantiques, ce qui permet d’interpréter leur répartition aux différents niveaux .L’un de ces nombres quantiques est le spin qui, pour les électrons, les protons et les neutrons ne peut prendre que les valeurs +1/2 et-1/2.

D’autres particules peuvent avoir des spins de valeur 0,1ou 2.Le spin peut être interprété de façon imagée comme le sens de rotation de la particule sur elle même.

Les conséquences.

Développées par Bohr(1885-1962)et quelques autres physiciens, elles heurtent le sens commun, mais ont toujours été confirmées par l’expérience .En voici trois exemples:

Le principe d’incertitude(Heisenberg,1901-1976):on ne peut définir rigoureusement à la fois la position et la vitesse d’une particule, non par manque de précision de la théorie, mais à cause de sa nature ondulatoire.

Le chat de Schroedinger :Un chat est enfermé dans un dispositif de mise à mort qui peut être déclenché par une seule particule, mais une particule quantique peut être dans un état hybride entre deux possibilités(spin positif ou négatif par exemple),dont une seule serait efficace .Il en résulterait que l’arrivée de la particule mettrait le chat dans un état hybride également, à la fois mort et vivant. 66-image-du-chat

Ce paradoxe a été explicité tout récemment :on a montré que dans un système formé d’un très petit nombre de particules l’état hybride est effectivement observable, mais que quand le nombre de particules devient plus grand la durée de cet état devient vite pratiquement nulle.

Le paradoxe EPR (Einstein, Podolsky et Rosen). Une autre conséquence de l’équation de Schroedinger est que quand deux particules ont interagi, elles sont décrites par une même fonction d’onde :elles forment un tout indissociable quelle que soit leur distance .On dit qu’elles sont corrélées .Si elles ont par exemple des spins opposés, rien ne permet d’attribuer un signe à chacune tant qu’elles n’ont par interagi avec un dispositif de mesure ou tout autre obstacle ;mais dès que l’une a été observée et caractérisée, le spin de l’autre prend, et à ce moment seulement, une valeur définie .Cette conséquence choquait Einstein qui ne pouvait admettre qu’une particule n’ait pas dès le départ des propriétés définies .L’expérience d’Aspect a montré définitivement que l’interprétation d’Einstein n’était pas valable .Ce résultat a mis fin aux théories dites “à variable cachée”qui supposaient que la physique quantique était incomplète et que ses incertitudes pouvaient s’expliquer par l’existence d’un monde subquantique rigoureusement déterministe. 7-image-poisson-quantique

Les poissons quantiques, images des particules élémentaires, sont solubles dans l’eau tant qu’ils n’interagissent pas .Dès qu’ils interagissent, ils reparaissent en un endroit précis, mais le sexe de chacun est rigoureusement imprévisible .

La radioactivité, phénomène probabiliste.

On peut déterminer sur un échantillon d’un élément radioactif sa durée de demi vie :c’est le temps au bout duquel la moitié des atomes se sont désintégrés.

Exemples:

– Uranium U238 4,5                 109ans

– Plutonium Pu239                  24 000 ans

– Cobalt Co60                            5,9 ans

– Radon Rn222                         3,85 jours

mais il est impossible de prévoir à quel moment un atome isolé va se désintégrer :les données ci dessus sont des moyennes statistiques :la radioactivité est aussi un phénomène quantique.

Les effets quantiques macroscopiques.

Si la plupart des effets de la physique quantique sont à l’échelle des atomes et des particules, quelques uns concernent des quantités de matière beaucoup plus importantes.

La superfluidité, la supraconductivité, s’observent à très basse température, quand les effets quantiques ne sont pas masqués par l’agitation thermique, mais le fonctionnement des lasers et celui des semi-conducteurs sont aussi des phénomènes quantiques.

Les particules et leurs interactions.

Trois particules constituent la matière ordinaire, c’est à dire les atomes:

Particules      masse(en grammes)  masse(en GeV)     charge électrique

– électron     0,9 10-27                      0,511                              -1

– proton      1,6 10-24                       938,3                              +1

– neutron                                           939,6                               0

La masse étant une forme d’énergie peut être exprimée en Giga électronvolt (GeV);l’unité de charge électrique est celle de l’électron qui vaut 1,6 10-19 coulomb(unité SI).

Ces particules sont sensibles à quatre sortes d’interactions:

La gravité, interaction entre les masses selon la loi de l’attraction universelle .Cette interaction n’est appréciable que pour de très grandes masses et insignifiante entre deux particules (masse gravifique).Par contre, la masse inerte des particules intervient si elles sont soumises à une accélération .La relativité a donné une interprétation géométrique de la gravité qui parait actuellement étrangère à la physique quantique.

L’interaction électromagnétique agit uniquement sur les particules portant une charge électrique .Responsable des phénomènes électriques et magnétiques, de la structure électronique des atomes, son agent d’interaction est le photon qui n’a ni masse ni charge électrique.

L’interaction forte est nécessaire à la stabilité des noyaux atomiques formés de protons et de neutrons .Elle est donc plus puissante que l’interaction électromagnétique(les protons positifs se repoussent) et agit aussi sur les neutrons .Elle n’a aucun effet sur les électrons et les photons .Les gluons sont les intermédiaires de cette interaction.

L’interaction faible a été décelée dans la radioactivité ,où un neutron, instable s’il est isolé ou en excès dans un noyau, se dissocie:

n p+ + e +e

Le neutron étant insensible à l’interaction électromagnétique et l’électron à l’interaction forte, c’est l’interaction faible qui est responsable de ce mécanisme .Le bilan énergétique de la réaction a obligé à admettre l’existence d’une quatrième particule, le neutrino e(neutrino électronique),sans charge, de masse nulle ou très faible, et qui n’a été détecté que beaucoup plus tard, car il interagit très peu avec la matière. Les intermédiaires de l’interaction faibles, appelés bosons W+, W et Z0,prévus par la théorie, ont également été détectés récemment.

Le foisonnement des particules et la remise en ordre.

Quelques particules exotiques avaient été détectées dans le rayonnement cosmique provenant de l’espace, mais les accélérateurs géants de particules(électrons ou protons)permettant de créer des chocs très violents ont engendré une centaine de particules nouvelles, négatif.

On a constaté aussi que des particules comme le proton et le neutron ont une structure interne et ne sont donc pas vraiment élémentaires comme l’électron.

La clarification est venue avec Gell-Mann(né en 1929) qui a montré que la diversité des particules s’explique par l’existence d’un petit nombre d’éléments ,les quarks, qui peuvent s’associer par deux ou trois pour former un grand nombre de combinaisons liées par l’interaction forte

Leptons                                           Quarks

e       e                                                 u    d

                                                       s     c

                                                       t     b

Les leptons e, et portent les mêmes charges électriques(+1et-1) et ne diffèrent que par leurs masses .Les neutrinos n’ont pas de charge et une masse très faible ou nulle .Les quarks portent des charges fractionnaires(1/3 ou 2/3),ont une masse et de plus une charge dite de couleur, responsable de l’interaction forte .A ces particules, constituants de la matière, il faut ajouter celles qui assurent les différentes interactions:

Interaction                                          Particules

gravifique                                               graviton(hypothétique)

électromagnétique                                photon

faible                                                      bosons W et Z

forte                                                      gluons

Parmi les associations de quarks, on trouve: le proton (uud),le neutron (udd),et les pions:

                                                                                 u d)        ; (ud)                ;(d d)

Les autres quarks (s,c,t,b) participent à la structure d’autres particules très nombreuses et très instables, auxquelles les physiciens ont attribué des saveurs exotiques :étrangeté, charme, beauté, vérité, et des couleurs bleu, jaune, rouge et leurs anti couleurs, sans aucun rapport avec le sens habituel de ces mots.

La chromodynamique quantique.

On ne peut pas observer des quarks isolés, fortement unis à l’intérieur des baryons (proton, neutron).La force qui les lie, l’interaction forte, serait due à une propriété analogue à la charge électrique, et qu’on appelle charge de couleur .Comme en peinture, il existe trois couleurs fondamentales :rouge, jaune et bleu et les anticouleurs correspondantes, vert, violet et orangé. Chaque quark porte une couleur, et la neutralité est obtenue par association des trois couleurs:

u rouge + u jaune + d bleu p incolore

ou d’une couleur et de son anticouleur:

u rouge + dantirouge + incolore

Seules les particules incolores portent des charges électriques entières et peuvent être isolées:

u(+2/3) + u(+2/3) + d(-1/3) p(charge +1)

u(+2/3) + d(-1/3) + d(-1/3) n(charge 0)

et si l’on tente d’arracher un quark à un baryon, l’énergie mise en jeu crée une paire quark-antiquark.

Les particules d’interaction, les gluons, au nombre de huit, sans masse, sont porteurs chacun d’une couleur et d’une anti-couleur L’interaction forte qui lie les baryons entre eux dans le noyau des atomes,n’est qu’un effet secondaire, à courte portée, de cette force de couleur.

9.La philosophie de la physique.

L’évolution de la physique.

Partie de faits isolés, de disciplines distinctes, comme la mécanique, l’optique, l’électricité, et utilisant rigoureusement la méthode expérimentale, la physique s’est efforcée de s’unifier Elle y est remarquablement parvenue avec Maxwell, par la synthèse de l’électromagnétisme et de l’optique. L’unification consiste à rassembler une grande variété de connaissances dans différents domaines et à les interpréter par des théories plus générales et plus simples dans leur principe, .

Cette tendance s’est encore affirmée dans la physique moderne qui a réduit la variété de la matière à quelques particules élémentaires, et tous les phénomènes à quatre sortes d’interactions, peut-être seulement une ou deux dans une synthèse future.

Les quelques particules encore considérées comme fondamentales ont visiblement quelque chose de commun comme le montre le rapport de leurs charges électriques, et tous les phénomènes ont une monnaie d’échange commune, l’énergie :même la masse est une forme d’énergie .On peut créer des particules massives avec de l’énergie de rayonnement, et les théories actuelles considèrent que dans l’espace même vide se créent et s’annihilent constamment des paires électron-positron. Le vide est-il finement structuré, et tous les phénomènes ne sont-ils que la manifestation de cette structure?

Les questions qui se posent encore nous entraînent de plus en plus loin, mais jusqu’où?

La logique de la physique.

Pour la physique classique, la réalité tangible était un absolu .Elle était rigoureusement déterministe, objective;ses théories prétendaient décrire exactement les faits, et elle n’admettait pas que des systèmes séparés puissent interagir sans un intermédiaire décelable :onde ou objet matériel.

La physique quantique a dû renoncer à cette rigueur absolue :certains phénomènes sont imprévisibles, non par manque d’information, mais par nature, et l’expérience d’Aspect a confirmé que deux particules corrélées, même très éloignées, restent solidaires sans qu’on puisse définir un intermédiaire qui les relierait.

La physique quantique n’en est pas moins valable et très efficace :toutes ses prévisions ont été confirmées avec une grande précision .Si elle n’est pas rigoureusement déterministe, elle justifie le déterminisme de la physique classique qui concerne des objets macroscopiques.

Qu’est-ce que le réel?

Pour les philosophes traditionnels, la réalité est faite de mots qu’ils appellent pompeusement idées, essences…

Pour la physique classique, le monde est fait d’objets et d’actions sur ces objets.

La physique quantique a conduit à des analyses plus subtiles qui reviennent à considérer le réel comme l’ensemble des évènements observables et vérifiables, tels qu’ils nous apparaissent.

Aucune autre science ne pose des questions aussi fondamentales :la vie, malgré sa complexité, se ramène à des phénomènes physico-chimiques à notre portée, alors que les notions de temps, d’espace, d’énergie, de la nature intime des interactions et des particules dépassent encore largement nos connaissances et nos facultés de compréhension.

Si les métaphysiciens traditionnels sont totalement désarmés devant ces problèmes, il en est qui s’y attaquent avec compétence :ce sont les physiciens théoriciens qui font aussi à leur façon de la métaphysique en bâtissant des théories souvent audacieuses. Beaucoup de ces théories ne survivront pas, mais celles qui passent avec succès l’épreuve de l’expérimentation permettent à la physique de faire de nouveaux progrès.

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