Harris' blog

Archive pour la catégorie ‘Physique’

Ci dessus, cadeau de fête des pères 2016 de mon fils cadet !

 

Vous connaissez tous mon attachement, pour ne pas dire amour, pour la gente féline. Alors, lorsque dans mes études on me relata l’expérience (mentale bien sur) du physicien Erwin Schrödinger (figure ci-dessus) en 1935, mon sang ne fit qu’un tour. Puis, avec le temps et les explications de mon père qui travaillait sur ce sujet lorsqu’il était jeune mathématicien, je me suis amusé à essayé de mieux comprendre cette expérience hors norme.

Imaginez un chat dans une boîte (figure ci-dessous).

Dans cette boîte, un flacon de gaz mortel et une source radioactive. Si un compteur Geiger détecte un certain seuil de radiations, le flacon contenant le poison est brisé et le chat meurt. Jusque là rien de bien compliqué !

Cependant, si on considère qu’un atome a une chance sur deux de se désintégrer sur une période d’une minute alors les équations de la physique quantique décrivent l’état du chat en disant qu’il est 50% vivant et 50% mort (autrement dit le chat est à la fois mort et vivant !), contrairement à la physique classique où on décrit l’état du chat en disant qu’il est vivant ou mort, mais pas les deux à la fois. On a à faire à une superposition de deux états quantiques.

Ce n’est que si un observateur ouvre la boite (figure ci-dessus) que les solutions de la physique quantique se réduisent et donnent un chat 100% vivant ou 100% mort. Lorsqu’on ouvre la boite, on parle de décohérence quantique. La situation ambiguë (« mort ou vivant ? ») se résout instantanément car une fois la boite ouverte, le minou n’est plus « ou mort ou vivant », il est clairement soit l’un, soit l’autre.

Selon l’interprétation de Copenhague, le chat est à la fois vivant et mort. Pourtant, si nous ouvrons la boîte, nous pourrons observer que le chat est soit mort, soit vivant.

(L’école de Copenhague ou interprétation de Copenhague est un courant de pensée qui donne une interprétation cohérente de la mécanique quantique. Elle considère que le caractère probabiliste de la mécanique quantique et que les relations d’incertitude de Heisenberg proviennent de l’interaction entre l’appareil de mesure et ce qui est mesuré, c’est-à-dire du fait que, au niveau atomique, l’effet de l’appareil de mesure sur son objet ne peut pas être négligé. En gros cela signifie que quelle que soit la qualité des mesures effectuées, le matériel utilisé aura toujours un effet sur le résultat observé, ce résultat ne traduirait donc pas le véritable comportement de l’élément observé. D’autre part, elle considère que parler d’objets indépendamment de toute mesure n’a pas de sens ; en particulier, on ne peut pas connaître l’évolution d’un système entre deux mesures. Cette interprétation proposée par Niels Bohr, Werner Heisenberg, Pascual Jordan, Max Born porte le nom de Copenhague car l’institut de physique, que dirigeait Bohr et où Heisenberg et Pauli étaient de fréquents visiteurs, était situé dans cette ville. Cette interprétation sert de référence en physique, même si d’autres interprétations ont été proposées.)

A ce stade vous ne comprenez sûrement pas le but de cette expérience de pensée, c’est pourquoi je vais vous expliquer celle-ci progressivement.

Commençons par un problème de taille dans le monde de l’infiniment petit : Celui de la mesure !

Pour comprendre ce problème, qui apparaît quand on veut étudier des objets très petits, il faut d’abord se demander pourquoi il ne se pose pas pour des objets beaucoup plus grands. Pour cela, prenons par exemple le cas du radar permettant de mesurer la vitesse d’une voiture.

Pour mesurer celle-ci, un radar émet généralement des impulsions laser qui sont réfléchies par la voiture pour finalement revenir à leur point d’origine. Connaissant la vitesse des impulsions et le temps nécessaire pour que celles-ci fassent un aller retour, on en déduit alors la vitesse de la voiture. L’important à retenir ici est que pour mesurer la vitesse d’un objet il est nécessaire d’interagir avec lui en lui envoyant par exemple dans le cas du radar des impulsions laser. Cependant ces impulsions lasers ne viennent pas perturber l’état de la voiture (l’effet des impulsions sur la voiture est en effet négligeable). Si vous êtes en voiture et qu’un gendarme essaie de mesurer sa vitesse à l’aide d’un radar vous ne ressentez absolument rien (pas de décélération brutale du véhicule ni d’augmentation de température, …). En conclusion, à notre échelle, nous pouvons mesurer la vitesse d’un objet sans venir perturber celui-ci.

Dans cet exemple nous nous sommes uniquement intéressé à la mesure de la vitesse mais les conclusions établies sont également valable pour la mesure d’autres paramètres comme par exemple la position d’un objet. En effet, posez-vous la question suivante: comment fait-on pour mesurer la position (x,y,z) d’un objet dans l’espace ? Cela peut paraître évident, mais pour mesurer la position d’un objet il faut d’abord pouvoir le voir ! Or, si vous pouvez voir un objet situé devant vous c’est bien parce que des informations sur ce dernier parviennent jusqu’à vous. Dans le cas de la vision humaine, c’est la réflexion et l’absorption des rayons de lumière dite “visible” sur l’objet qui permettent de voir celui-ci. Les rayons lumineux sont donc indispensables pour voir l’objet et mesurer sa position dans l’espace. Cependant, comme pour les impulsions laser du radar, ces rayons ne perturbent, en règles générales, pas l’état de l’objet. Vous observez en effet dans la vie de tous les jours que les objets autours de vous ne sont pas perturbés (position, vitesse, …) lorsque vous allumez la lumière dans une pièce ou lorsque le jour se lève et c’est heureux !

J’ai insisté au travers des deux exemples précédents sur le fait qu’il est nécessaire d’interagir avec un objet si on veut mesurer certains paramètres comme sa vitesse ou sa position. Cependant, à notre échelle, nous pouvons mesurer simultanément plusieurs paramètres sans venir perturber l’objet d’étude. Mais, en est-il de même avec des objets très petits (comme des atomes par exemple) ? Vous vous en doutez à présent la réponse est non. Tout simplement parce qu’à des échelles très petites il n’est plus possible de venir mesurer certains paramètres sans perturber l’objet. Pour vous en convaincre, reprenons l’exemple du radar et imaginons que nous voulions mesurer, comme pour la voiture, la vitesse d’un atome. Dans ce but, nous avons vu qu’il faut nécessairement interagir avec lui en envoyant des impulsions lasers (c’est-à-dire de la lumière qui est constituée de particules très petites appelées photons). Cependant, si dans le cas de la voiture ces particules ne perturbent pas celle-ci car elles sont vraiment très petites comparées à la taille de la voiture il n’en n’est pas de même avec un atome. Pour des objets très petits il est donc impossible de faire des mesures sur ce dernier sans perturber son état global. A titre d’exemple, en physique quantique on ne peut pas mesurer simultanément et avec précision la vitesse et la position d’un objet car si on veut mesurer précisément sa vitesse on va perturber sa position et rendre la mesure de celle-ci moins précise et inversement (pour information cela porte le nom, en physique quantique, de principe d’incertitude d’Heisenberg, principe sur lequel mon père et son équipe de chercheurs ont longuement travaillé afin de créer des outils mathématiques utiles aux physiciens).

L’information essentielle à retenir sur le problème de mesure rencontré lors de l’étude d’objets très petits est qu’il est impossible de connaître avec précision à un instant donné l’état total de celui-ci (position, vitesse, rotation, …). Autrement-dit, à un instant donné, nous sommes en partie ignorant sur l’état réel d’un objet.

Ce problème de mesure va alors bouleverser l’approche avec laquelle on va aborder, en physique, l’étude d’un objet infiniment petit. En effet, pour décrire l’état d’un objet, nous allons traduire notre ignorance en introduisant des probabilités. Par exemple, nous allons décrire la position en utilisant un objet mathématique appelé vecteur d’état noté |   > (en utilisant la notation du formalisme de Dirac dite “ket” inventée pour faciliter l’écriture des équations de la mécanique quantique, mais aussi pour souligner l’aspect vectoriel de l’objet représentant un état quantique.). Ce vecteur d’état est juste un outil qui permet de donner pour chaque position (x,y,z) de l’espace une information sur la probabilité que l’objet y soit présent ou non.

Pour simplifier cela et bien comprendre comment on aborde un problème en physique quantique reprenons l’expérience du chat de Schrödinger décrite précédemment.

Dans le cas du chat, on va décrire uniquement son état de santé qui peut donc prendre deux valeurs: vivant ou mort. Autrement-dit, le vecteur d’état sur la santé du chat de Schrödinger peut s’écrire comme la superposition de deux états possible:

|chat>= a ∗|vivant> + b ∗|mort>

où a² et b² sont respectivement la probabilité qu’il soit vivant et mort (avec a² + b²  = 1: condition de normalisation signifiant que la somme des probabilité doit être égale à 1).

Dans cette expérience on considère que le dispositif mortel situé dans la boîte ne se déclenche que si on observe la désintégration d’un atome d’un corps radioactif (atome de petite taille qui obéit donc aux équations de la physique quantique).

Or si on suppose que cet atome a une chance sur deux de se désintégrer sur une période d’une minute alors son état de santé peut s’écrire:

(1/√2)²= 0,5 on a bien 50% vivant et 50% mort, (1/√2)² est égal à la probabilité que l’atome se soit désintégré au bout d’une heure.

Par conséquent, tant que l’observateur n’a pas ouvert la boîte on va décrire l’état du chat de Schrödinger en disant qu’il est à la fois mort et vivant ! (d’où l’appellation parfois de chat de Schrödinger mort-vivant).

Que devient ce vecteur d’état décrivant la santé du chat de Schrödinger une fois que l’observateur a ouvert la boîte ?.

Et bien il va réduire son ignorance concernant l’état de santé du chat de Schrödinger. Le vecteur d’état va donc se réduire à:

ou

selon que l’observateur découvre un chat vivant ou mort. Autrement-dit après avoir ouvert la boîte on est sûr à 100% que le chat est vivant ou bien mort, ce qui parait logique !

Pour employer le même vocabulaire que les physiciens, nous traduirons le fait d’ouvrir la boîte par un objet mathématiques appelé observable (qui est un opérateur linéaire), l’application de l’observable sur le vecteur d’état ayant pour effet de réduire celui-ci.

Vous comprenez, à présent, un des objectifs de l’expérience du chat de Schrödinger qui est de mettre en avant le problème de mesure pour des objets très petits et comment ce problème est traduit dans les équations mathématiques. Cependant le chat de Schrödinger permet également de faire réfléchir sur l’interprétation des équations de la physique quantique. En effet, ces équations ne répondent pas à la question suivante: que se passe-t-il réellement dans la boîte avant de l’ouvrir ? Avant d’ouvrir la boîte les équations décrivent l’état du chat de Schrödinger avec les probabilités qu’il soit vivant à 50% et mort à 50%. Comment peut-on interpréter cela ? Comme nous sommes ignorant sur l’état réel du chat de Schrödinger il est possible d’interpréter les équations de différentes manières. Nous pouvons, par exemple, adopter le point de vue consistant à dire que les équations quantique ne sont pas censées représenter la réalité. Le chat est donc bien vivant ou mort dans la boîte mais pas les deux à la fois, les probabilités traduisent juste notre ignorance sur l’état réel du chat (il y a 50% de chance que le chat soit vivant ou non). Où alors nous pouvons adopter un point de vue complètement opposé consistant à dire que les équations quantiques représentent totalement la réalité. On peut alors imaginé par exemple un scénario d’univers parallèle avec un univers où le chat serait vivant et un autre où il serait mort.

Le plus important à retenir est de savoir qu’il existe différentes façons d’interpréter les équations de la physique quantique et que ces différents points de vue ne contredisent pas les équations.

Voilà pour cette courte introduction, grâce au chat de Schrödinger, au monde mystérieux et passionnant de la physique quantique.

Après avoir lu cet article vous devez certainement penser que le monde de l’infiniment petit est très difficile à appréhender. Mais ce monde de l’infiniment petit est il vraiment beaucoup plus compliqué que le monde dans lequel nous vivons ? Il est vrai que pour prendre en compte le problème de la mesure les physiciens ont recours à des outils mathématiques assez complexes, de plus, nous avons vu qu’il est possible d’interpréter les équations de différentes manières, ce qui ne facilite pas l’apprentissage de la physique quantique. Cependant, notre monde peut aussi parfois s’avérer très complexe.

La clef de l’expérience est ici. Comme le chat est enfermé dans une boîte d’acier, il nous est impossible de savoir si, au bout d’une heure, il sera mort ou encore en vie. La seule manière de le savoir est d’ouvrir la boîte. Mais voilà, tant que la boîte reste fermée, le chat peut aussi bien être mort que vivant. L’idée suggérée ici est que l’état du chat, mort ou vivant, dépend de notre observation ; celle-ci va pour ainsi dire créer son état. En quelque sorte, c’est notre observation qui tue ou rend la vie à notre chat. Au bout d’une heure, au moment d’ouvrir la boîte, il y a la même chance qu’il soit mort ou vivant : une chance sur deux. Tant que l’on n’ouvre pas la boîte le chat n’est ni mort, ni vivant, ou il est les deux à la fois. Il en est ainsi des particules subatomiques. Tant qu’on ne le mesure pas, l’objet quantique est indéterminé ; on ne sait pas s’il est onde ou matière.

Cette expérience, sous le regard de la physique quantique, semble nouvelle pourtant elle devient familière si on y réfléchit à la lumière de la question classique suivante : Un arbre qui tombe dans la forêt, fait-il du bruit s’il n’y a personne pour l’entendre? ne répondez pas tout de suite ! prenez un peu de votre temps, fermez les yeux, réfléchissez et… répondez !

Berkeley l’éclaire de façon magistrale en nous faisant voir comment l’esprit crée ce qu’il observe, alors que, privé de l’observation, tout est possible, y compris une boîte dans laquelle un chat est mort et vivant en même temps.

Imaginons par exemple, à la place du chat de Schrödinger, un être humain enfermé dans une boîte avec une caméra. Pensez-vous que ce dernier agira de la même manière s’il sait ou non qu’il est observé ? La réponse est probablement non, l’être humain étant doué d’un niveau élevé de conscience, son comportement va être différent si il se sait ou non observé (en effet agissez vous de la même manière quand vous pensez être seul et quand vous vous savez observé ?). La conscience ou non d’être observé va donc avoir une influence sur le comportement du sujet d’étude.

Personnellement, l’étude du comportement humain me paraît donc une science beaucoup plus complexe que la physique quantique !. Mais bon, ce n’est qu’un point de vue.

Le paradoxe du chat de Schrödinger a déchaîné les passions parmi les physiciens. Car il pose un vrai problème, celui de la mesure en physique quantique.
En gros, est-ce la mesure ou l’observation qui décide vraiment si le chat est mort ou vivant?  En d’autres termes, sont-ce les mesures, les observations qui décident de la réalité des choses? Alors, si les humains n’ existaient pas, le monde n’existerait pas non plus !
Certains physiciens (une petite minorité) ont répondu oui à cette question épineuse en suggérant des solutions bizarres.

La première a été soutenue par un prix Nobel de physique, Eugène Wigner. En gros, ce ne serait pas l’appareil de mesure, mais la conscience de l’observateur qui ” déciderait” finalement si le chat est mort ou vivant. En regardant par le hublot, l’œil (dans ce cas, c’est lui l’appareil de mesure) se met dans une superposition d’états:

• D’un côté, un état A : “uranium désintégré, détecteur excité, marteau baissé, fiole cassée, chat mort”.
• De l’autre, un état B : “uranium intact, détecteur non excité, marteau levé, fiole entière, chat vivant”.

Le nerf optique achemine au cerveau une onde qui est aussi dans une superposition des états A et B, et les cellules réceptrices du cerveau suivent le mouvement. C’est alors que la conscience, brutalement, fait cesser le double jeu, obligeant la situation à passer dans l’état A ou dans l’état B (mais attention : rien ne nous dit POURQUOI ce serait A ou B). Comment ? Ça, Wigner ne le dit pas. Mais les conséquences de sa position sont hallucinantes : rien n’existe vraiment en dehors de ce que perçoit notre conscience!

Affinons l’expérience. Une caméra filme l’intérieur de la boite; elle transmet les images à un ordinateur qui analyse les formes, reconnait si le chat est immobile (= mort) ou actif (= vivant) ; il en déduit si l’animal est dans l’état A ou dans l’état B. Puis il transmet l’information à une imprimante. Sans regarder ce qui est imprimé, l’observateur place le verdict dans une enveloppe… qu’il ouvre un an plus tard.

• Sa conscience interviendrait alors pour trancher entre A et B. Si l’on suit Wigner, il faudrait imaginer qu’un mystérieux signal émis par la conscience remonte le temps et vienne provoquer, un an plus tôt, la mort ou la survie du minet ! Difficile à concevoir…
• Seconde hypothèse : la conscience n’intervient pas, les deux états A et B se séparent bien lors de la mesure mais rien ne vient trancher entre eux. Résultat : ils survivent dans deux univers parallèles ! Le chat est mort dans un univers et vivant dans l’autre ! Notre conscience existe dans l’état A dans le premier univers et dans l’état B dans le second. Comme nous réalisons sans cesse des actes d’observation, cela voudrait dire qu’à chaque fois, nous nous dupliquons. II y aurait ainsi une infinité d’univers parallèles, sans possibilités de communication entre eux, où nous existerions dans une multitude d’état différents!

Pour résumer en 2 mots

En physique quantique, c’est-à-dire à l’échelle de l’atome et de l’électron, certaines particules peuvent être dans deux états contraires en même temps. On appelle ça la superposition quantique. D’un point de vue mathématique c’est tout à fait exact : un électron est mathématiquement à plusieurs endroits à la fois, car on utilise des calculs de probabilité pour connaître sa position. Il est « peut-être là, ici ou encore là ». Chaque position étant associée à un  coefficient de probabilité.

D’un point de vue physique, il y a deux écoles : d’abord l’école de Copenhague, qui dit que la superposition quantique ne doit pas chercher à être illustrée. Elle réfute l’histoire du chat de Schrödinger qui, selon elle, n’a aucun intérêt car la superposition quantique ne doit pas être interprétée physiquement. Le phénomène doit rester un concept mathématique.

Ensuite, la théorie d’Everett qui nous dit que concrètement, il existe peut-être des univers parallèles pour chaque état superposé.

Je vous laisse à vos réflexions et décider ainsi quelle hypothèse vous convient le mieux.

Dans un futur article, nous discuterons de l’ordinateur quantique qui utilise intrinsèquement le concept de superposition quantique par l’intermédiaire du qubit, autrement dit le « bit quantique » qui peut valoir « 0 » et « 1 » en même temps.

DERNIÈRES NOUVELLES.

Voici ci-dessous la première véritable image d’une superposition quantique, devenue célèbre au travers du fameux chat de Schrödinger.

Celui-ci illustre qu’à l’échelle quantique et avant toute mesure, un objet est dans deux états à la fois, ce qui correspond à mort et vivant pour le chat. Dans cette physique subatomique, un atome est à la fois dans un état excité et fondamental.

Mais le photographier ou le mesurer met aussitôt fin à cet état de superposition. L’équipe d’Anton Zeilinger à l’université de Vienne (Autriche) a imaginé une astuce : utiliser deux photons qui ont par le passé interagi et qui se comportent comme un seul objet. Du fait de leur intrication, la moindre information que porte l’un est disponible sur l’autre.

La superposition quantique saisie sur le vif

L’équipe a fait passer un de ces photons à travers une découpe en forme de chat pour réaliser une photo, mais a recueilli l’autre qui portait aussi l’image sans pour autant avoir interagi avec l’objet.

Résultat : la superposition quantique a été saisie sur le vif.

 

Tout au long des articles que vous allez pouvoir lire sur ce blog, il est fait référence à des savants du siècle dernier. Afin de leur rendre hommage à ma façon, vous trouverez quelques uns des noms les plus connus des cerveaux du passé qui ont permis à ce que le monde d’aujourd’hui soit ce qu’il est, un monde de technologie, de savoir, de philosophie. Un monde qui se pose encore beaucoup de questions toujours dans le but de répondre à la question fondamentale :”Pourquoi sommes nous sur la terre ?”

Bien sur cette liste n’est pas exhaustive, et je n’y ai mis que les savants que j’ai pu “côtoyer” durant mes études…

Qui est le vrai père de la physique nucléaire ? C’est sans conteste Ernest Rutherford (1871-1937). Ce physicien britannique né en Nouvelle-Zélande est largement considéré comme étant le père de la physique nucléaire grâce à sa contribution du modèle de l’atome dit de Rutherford .

Né en 1871, il a reçu le prix Nobel de chimie 37 ans plus tard pour ses recherches sur les particules et les substances radioactives. Mais ce ne fut qu’en 1911 qu’il a fait son travail de pionnier en présentant le modèle atomique de Rutherford.

Contrairement au modèle atomique dominant de l’époque le “plum-pudding”  (gâteau aux prunes, voir figure ci-dessous) – qui considérait l’atome comme étant juste un méli-mélo de différentes particules et charges subatomiques,

Le modèle de Rutherford (figure ci-dessous)

propose une charge massive centrale positive entourée par des électrons qui tournent autour du noyau, c’est une représentation plus précise de la façon dont l’atome est structurée.

Et vous savez quoi? Il avait totalement raison.

 

Où serait la physique aujourd’hui sans  JJ Thomson (1856-1940), physicien anglais de la Société royale de Londres, et lauréat du prix Nobel en 1906 ? Bien sûr, sa vision à propos de la structure globale d’un atome (à savoir le modèle de “plum-pudding” infirmé plus tard par par Rutherford, voir figure ci-dessus) était incorrect, mais il fut à l’origine de la découverte de l’électron, rien que ça !

En 1907, Thomson a observé qu’il y avait des particules inconnues qui constituaient un rayon de cathode (un faisceau d’électricité dans un tube à vide). Ces particules avaient un ratio très élevé de charge négative. C’est-ce qu’il a appelé «corpuscules» et qui étaient en fait des électrons – la première particule subatomique découverte.

Henri Becquerel, qui a reçu le prix Nobel de physique en 1903, est surtout connu pour son travail sur la radioactivité naturelle. Alors qu’il enquêtait sur la fluorescence, le phénomène par lequel certains matériaux libèrent la lumière après avoir été exposée au soleil, Becquerel a découvert par hasard que, certains éléments peuvent effectivement libérer leurs particules sous la forme de radioactivité. Il a utilisé un cristal contenant de l’uranium, du sulfate d’uranyle, pour tester son hypothèse (figure de gauche ci-dessous), le laissant au soleil pendant un certain temps, tout en le surveillant.

Mais comme les nuages nuisaient à son expérience, Becquerel rangea le cristal dans son bureau jusqu’à ce que le temps s’améliore. C’est ainsi que le rayonnement de l’uranium a fait des empreintes visibles sur une plaque photographique placée à proximité (figure de droite ci-dessus). Il venait de découvrir la radioactivité !

On pourrait dire que la contribution de Max Planck pour la physique se traduit sous la forme d’un saut quantique. Le physicien allemand a reçu le prix Nobel de physique en 1918 comme étant à l’origine même de la physique quantique. Juste avant le début du 20e siècle Planck a été contacté par des compagnies d’électricité cherchant à fabriquer l’ampoule la plus luminescente pour la plus faible consommation. Après une série d’échecs, Planck a tenté de tirer des règles mathématiques et autres formules de ces tentatives antérieures infructueuses quand il a déterminé que la lumière pourrait être émise dans des paquets, ou quanta, d’énergie émanant  d’un corps noir (un objet idéal qui absorbe toute la lumière uniformément).

Cette preuve fondamentale est le fondement même de toute la physique quantique. Planck a établit un nouvel ensemble de lois qui décrivent la manière dont ces quanta interagissent les uns avec les autres. La logique résultante du comportement de ces quantas est totalement en contradiction avec la physique classique, et donc doublement intéressante.

Est-ce qu’il y a quelqu’un dans cette liste qui n’a pas reçu le prix Nobel ? En fait, oui, mais le physicien danois Niels Bohr n’en fait pas partie. Il a reçu le prix Nobel de physique en 1922 pour ses travaux sur la théorie quantique et la structure atomique. Dans son modèle de l’atome, Bohr  a précisé que les électrons en orbite autour du proton et du neutron suivaient des itinéraires bien définis, et qu’ils pouvaient sauter d’orbites en orbites (valence à Valence) en absorbant ou libérant des paquets d’énergie (quanta). Les électrons de son modèle atomique décrivaient des orbites précises mais pas alignées. Le modèle de Bohr est le dernier modèle faisant partie des modèles de la physique classique.

Bien que ce modèle a été remplacé par des modèles plus récents, les principes fondamentaux sont toujours valables.

Rappelez-vous quand j’ai demandé s’il y avait des savants non-prix Nobel sur cette liste ! En voici un : Nikola Tesla. Il y a une rumeur selon laquelle lorsqu’on a demandé à Albert Einstein : “Quel effet cela fait il d’être l’homme le plus intelligent” Il a répondu, “Je ne sais pas, vous n’aurez qu’à demander à Nikola Tesla.”  Considéré comme étant l’un des esprits les plus étonnant à avoir jamais habité cette planète, Tesla est un exemple de grand génie laissé aux caprices d’hommes d’affaires cupides et malfaisants. Il a travaillé pour Thomas Edison (tristement célèbre pour le nombre de brevets et d’inventions dont Tesla fut à l’origine), ainsi que d’autres bailleurs de fonds qui, n’ont jamais voulu ou su reconnaître son véritable génie. Son travail dans la mécanisation du courant alternatif était juste le début: ses inventions ont été surprenantes, il était visionnaire, et effrayant à la fois. Il est aussi l’inventeur des télécommandes radio, et fut probablement le découvreur du rayonnement X, il élabora également une théorie sur l’énergie infinie qui semble au 21ème siècle particulièrement au goût du jour ! En 1943, quelques mois après sa mort, il aura enfin été désigné comme étant le véritable inventeur de la Radio…

Vous savez ce qui est mieux que de gagner un prix Nobel de physique ? et bien c’est gagner le premier prix Nobel de physique en 1901. C’est ce que fit Wilhelm Roentgen. En 1895, il a été le premier à détecter et ensuite reproduire les ondes électromagnétiques dans une longueur d’onde sensible qui sera connu sous le nom de rayonnement X. A moins que Nikola Tesla ne les ait réellement découvert en premier.

Voici un homme qui est probablement plus directement célèbre pour son chat (le chat de Schrödinger fera l’objet d’un article qui paraitra en novembre) que pour toute autre contribution qu’il a apportée au domaine de la physique théorique. Il a partagé en 1933 le Prix Nobel de physique avec le mathématicien britannique Paul Dirac pour ses contributions dans le domaine de la théorie quantique. La plus importante de l’ensemble de son travail est l’équation de Schrödinger, qui reste à ce jour l’explication sur  la façon dont l’état quantique d’un système subit des changements au fil du temps, ce qui est fondamentalement différent de la vision plus linéaire de Newton sur l’activité physique. L’alternative de Schrödinger est la fonction d’onde, une photo macro de la façon dont le système physique lui même change, et non pas les particules individuelles qui le composent. Cette avancée est considérée comme l’une des plus importante dans la pensée du 20ème siècle.

Werner Heisenberg – oui, ce Heisenberg là n’est pas l’un des protagonistes de la série TV “Breaking Bad” – Il a reçu le prix Nobel de physique en 1932 pour avoir donné naissance à la mécanique quantique. Notez que la mécanique quantique est différente de la théorie quantique. Avant la formulation de Schrödinger concernant la mécanique de la fonction d’onde, Heisenberg, avec ses collègues Max Born et Pascual Jordan, a pris une approche matricielle à la théorie quantique. En utilisant le modèle de Niels Bohr de l’atome et des quanta, Heisenberg et ses collègues ont démontré comment les quanta d’énergie peuvent tenir dans une matrice au sein d’un espace à trois dimensions, et comment ce système de matrice peut changer au fil du temps. Il est fondamentalement équivalent au modèle de Schrödinger, mais la façon dont ils y sont arrivés était différente.

Karl Schwarzschild est l’exemple d’un grand esprit disparu beaucoup trop tôt. Le physicien allemand a été le premier à donner une solution pratique au sujet des équations d’Einstein (dix équations qui décrivent le rôle de la gravité sur un continuum espace-temps courbe), en 1915. Einstein était seulement en mesure de donner des solutions générales et approximatives à ses propres équations, si complexes qu’elles étaient, mais Schwarzschild fit le reste. Il est malheureusement mort un an plus tard tout en combattant sur le front allemand durant la Première Guerre mondiale, en succombant à une maladie auto-immune.

Lauréat du prix Nobel de physique de 1933, Paul Dirac est connu pour son travail (en plus de Erwin Schrödinger, avec qui il a partagé le prix) concernant l’élaboration d’approches nouvelles et améliorées de la théorie atomique. Né en 1902, cet anglais est venu avec l’équation de Dirac en 1928, qui a permis à la physique quantique d’obtenir ses lettres de noblesse. Ses traités de “Principles of Quantum Mechanics”, publié en 1930, ont permis de concilier le travail de la matrice de Heisenberg et l’analyse de la fonction d’onde de Schrödinger dans l’espace de dimension infini , un exploit qui avait d’énormes implications pour les futurs physiciens et théoriciens quantiques.

Qui est le véritable père de la bombe atomique ? C’est une question piège, car il y en a plusieurs en vérité, mais un test de paternité montrerait certainement que le physicien italien Enrico Fermi serait en tête de liste. Honoré en 1938 par un prix Nobel de physique pour sa découverte de nouvelles particules à la suite de l’irradiation neutronique – libérant essentiellement des neutrons issus du noyau d’un atome – et des neutrons lents, neutrons ralentis par bombardement répétitif. Il est aussi crédité pour avoir développé le premier réacteur nucléaire, Chicago Pile-1, à l’Université de Chicago. Le réacteur nucléaire ayant contribué à l’élaboration de la bombe.

Si il ne devait y avoir qu’un seul père de la bombe atomique, ce serait cet homme, le physicien américain Robert Oppenheimer. Il était le leader du laboratoire de Los Alamos au Nouveau-Mexique au cours de la Seconde Guerre mondiale (projet Manhattan), et a été en charge de superviser la production de la bombe. Son travail au début concernait l’étude des fonctions d’onde et de la fusion nucléaire et a certainement contribué à son expertise dans le domaine. Plus tard dans sa carrière, une fois la guerre terminée, il est devenu un défenseur ardent pour la démilitarisation et la suppression des armes atomiques dans le monde entier.

Comme je le disais plus haut, il y a très peu de physiciens qui n’ont pas été lauréats du prix Nobel. Emmy Noether est l’un d’entre eux, et pourtant, elle aurait aussi largement mérité cet honneur. Misogynie du comité Nobel ?. Né en 1882, la mathématicienne allemande Noether a fait d’énormes contributions dans le domaine de la physique théorique grâce à son théorème, bien nommé Théorème de Noether. Ce dernier affirme que toute action dans un système symétrique a une action de conservation correspondante. Il est un peu comme la loi de Newton qui précise que chaque action possède une réaction égale et opposée. Son théorème est exploité au sein des systèmes et des espaces symétriques, afin d’identifier les chemins de moindre action, qui sont importants pour la réduction des apports d’énergie et permet de maximiser les résultats.

Einstein avait un regard particulier sur les travaux du physicien suisse Wolfgang Pauli, tant et si bien qu’il la même nominé pour le Prix Nobel de Physique de 1945. Pauli est l’un des co-fondateurs de la physique quantique, il a élaboré l’un de ses principes fondateurs: le principe d’exclusion de Pauli. Ce principe indique que des particules chargées, comme un électron par exemple, ne peuvent pas posséder le même spin dans le même espace, et donc doivent avoir chacun leur propre correspondant, un nombre quantique unique. Le comité Nobel lui a décerné le prix pour cette découverte essentielle, en réalité une nouvelle loi de la nature.

Et enfin il y a …

Cet article (qui est une partie de mon cours sur la physique des particules du CFRT) a pour mission de réaliser le bestiaire des particules qui nous entourent et d’expliquer les différents mécanismes entre particules qu’on appelle interactions.

On trouve également la dénomination physique des hautes énergies pour parler de la physique des particules car la plupart de ces petites choses se désintègrent très vite et n’existent que pendant quelques millièmes de seconde lors de collisions à hautes énergies avant de se désintégrer.

Pour certains philosophes grecs de l’Antiquité, les atomes étaient les plus petits constituants de l’Univers. or les physiciens du XXème siècle ont cassé l’atome, révélant des ingrédients plus petits encore: des protons, des neutrons et des électrons. Par la suite, ils ont démontré que les protons et les neutrons eux même étaient constitués de particules plus petites, les quarks, maintenues solidaires par des gluons. grâce à diverses expériences, les chercheurs ont découvert que la structure des protons et des neutrons cache un foisonnement de particules : trois quarks, mais aussi des gluons et une “mer” de paires de quarks-antiquark qui naissent et disparaissent en permanence.

Voici quelques règles simples à retenir avant tout :

Les particules élémentaires sont les constituants élémentaires de la matière qui nous entoure.

A ce titre, elles sont insécables : on ne peut pas les diviser en de plus petites entités.

Exemple : un électron.

A chaque particule élémentaire est associée une antiparticule élémentaire de même masse et ayant presque les mêmes propriétés mais avec une charge électrique opposée.

Exemple : un antiélectron (aussi appelé positron ou positon)

Les particules élémentaires peuvent se regrouper pour former de nouvelles particules composites.

Exemple :  un proton est composé de quarks.

Les atomes sont constitués de particules.

Exemple : un atome d’hydrogène est composé d’un proton et d’un électron.

Les molécules sont constituées d’atomes.

Exemple : une molécule d’eau (H2O) est composée d’un atome d’oxygène et de deux atomes d’hydrogène.

Certaines particules sont stables, d’autres sont instables car elles se désintègrent très vite après leur création.

Exemple :  l’électron est stable, le muon est instable.

Il existe 4 forces d’interaction qui expliquent toutes les interactions de la matière !

: la gravité, l’électromagnétisme, la force faible et la force forte.

1 – Force de gravité

La première est la force de gravitation.

C’est en 1687 que le physicien Isaac Newton découvre la force de gravitation lorsque la fameuse pomme lui tombe sur la tête, ou plutôt lorsqu’il observa attentivement la lune dans le ciel, en se demandant pour qu’elle raison elle ne tombait pas sur la terre. L’interaction gravitationnelle est de portée infinie. Cette force est proportionnelle au produit des masses des 2 corps qui interagissent et est inversement proportionnelle à la distance qui les sépare. La loi de Newton dit que deux corps, du simple fait de leur masse, exerce chacun l’un sur l’autre une force de gravitation attractive. On obtient la relation suivante :

avec:

F la valeur de la force attractive en Newton (N)
G la constante de gravitation universelle (G=6.67 N.kg^-2.m²)
m et m’ les masses de chacun des deux objets (en kg)
d la distance qui les séparent (en m).

La force gravitationnelle est dominante à l’échelle de l’infiniment grand et est négligeable à l’échelle microscopique où les masses sont très infimes. La physique quantique (un ensemble de théories physiques nées au XX^ème siècle) stipule qu’à chacune des quatre interactions fondamentales, on peut associer une particule appelée «boson de jauge» qui serait responsable de l’interaction. La particule qui serait responsable de l’interaction gravitationnelle est jusqu’à aujourd’hui inconnue mais les scientifiques lui ont déjà donné un nom : le graviton. Le graviton serait donc la particule responsable de porter la force gravitationnelle.

2 – Force électromagnétique

Il y a les forces d’origine électrique issues des interactions entre les charges électriques, elles sont caractérisées par la force de Coulomb qui fait de l’électricité statique sur votre pull-over. On observe également des forces magnétiques comme dans les aimants que l’on colle sur nos réfrigérateurs.

L’électricité et le magnétisme ont été pour longtemps considérés comme deux forces distinctes mais, en 1873, le physicien écossais Maxwell unifia ces deux forces qui s’appellent aujourd’hui «l’électromagnétisme». La force électromagnétique existe entre n’importe quel deux corps chargés. Si les deux corps sont de charges de mêmes signes alors la force électromagnétique est répulsive, et si les charges des deux corps sont opposées, la force électromagnétique est attractive. Contrairement à la force gravitationnelle, la force électromagnétique est dominante à l’échelle des particules, donc à l’échelle de l’infiniment petit. La portée de cette force est infinie.

La valeur de cette force est donnée par la relation suivante :

avec:
F la valeur de la force électromagnétique en Newton (N)
k une constante (k=8.99 N.C^-2.m²)
Q et Q’ les charges de chacun des deux corps en Coulombs (C)
d la distance qui séparent les deux corps (en m).

Elle est véhiculée par les photons, qui de par leur masse quasi-nulle peuvent agir à longue portée..

3 – Force Faible

Souvent appelée interaction nucléaire faible, elle est complexe à comprendre. Elle est, comme son nom l’indique, la plus faible des quatre forces fondamentales.

En effet, elle est 10 000 000 de fois plus faible que l’interaction forte, 100 000 fois plus faible que la force gravitationnelle et 1000 fois plus faible que la force électromagnétique. En plus, c’est la force de plus courte portée (environ 10^-18 m). Pourtant cette interaction est fondamentale : c’est elle qui régit les réactions thermonucléaires du Soleil et de toutes les étoiles. Donc sans cette interaction, il n’y aurait pas de chaleur et pas de vie. Cette force s’applique aux fermions (une des deux grandes familles des éléments) et est responsable de la radioactivité ? (qui transforme une particule en une autre). Les bosons de jauge porteurs de l’interaction faibles sont les plus lourds des bosons de jauge et c’est pourquoi cette force a la plus courte des portées.

C’est elle qui permet la désintégration (β) de certaines particules en d’autres, entraînant un phénomène découvert par Becquerel et Marie Curie : la radioactivité.

Seuls les quarks et les leptons y sont sensibles (comme l’électron par exemple).

Elle est véhiculée par les bosons W et Z, découverts au CERN dans les années 80.

A haute énergie, la force faible peut être couplée avec l’interaction électromagnétique, ces 2 interactions unifiées forment alors l’interaction électrofaible, encore plus fondamentale donc : 2 en 1 !

4 – Force Forte

C’est elle qui nous tient « collé » en un seul morceau. En effet, cette force permet la cohésion entre les particules qui constituent les noyaux des atomes, c’est-à-dire les quarks. Je rappelle que les protons et les neutrons ne sont pas des particules élémentaires car ils sont constitués de ces fameux quarks.

Utilisons la métaphore de l’élastique pour expliquer cette force : vous prenez un gros élastique à peine tendu entre vos 2 mains, la force exercée sur chaque main est relativement faible. Maintenant vous écartez les mains, l’élastique se tend et la force qui tend à rapprocher vos main augmente, vous avez de plus en plus de mal à écarter les mains !

La force forte, c’est comme un élastique qui tient les quarks : plus ils s’éloignent les uns des autres, plus la force augmente et ils restent donc bien groupés. Pour les séparer, il faut apporter une énergie colossale, c’est ce que les accélérateurs de particules font… c’est pour cela que l’on a longtemps pensé que les protons et les neutrons étaient des particules élémentaires. Ce phénomène est appelé la liberté asymptotique.

Évidemment il n’y a pas d’élastique dans l’histoire mais des gluons, ce sont eux qui sont porteurs de cette force, jouant le rôle de « glu ».

Ils assurent la cohésion des assemblages de quarks que sont le proton et le neutron, ainsi que celle du noyau atomique. Par quels mécanismes ? Les physiciens n’ont pas encore toutes les réponses.

 

Les particules élémentaires

La physique des particules possède un modèle théorique pour décrire les particules élémentaires qui porte le simple nom de modèle standard.

A ce jour, toutes les particules du modèle standard ont été observées dans les accélérateurs de particules la dernière en date : le boson de Higgs,   détectée en 2014   avec le nouvel accélérateur de particule du CERN, le LHC.

Le modèle standard regroupe 25 particules élémentaires représentées dans le tableau ci-dessous (ainsi que leurs 25 antiparticules associées que je ne citerai pas pour raison de lisibilité).

Il existe 2 grandes familles de particules élémentaires :

La famille des particules de matière: ce sont les fermions.

La famille des particules de champ qui sont des médiateurs et permettent de véhiculer une force d’interaction : les bosons de jauge.

Le modèle standard parle ensuite de 3 générations qui sont dues à la différence de masse entre les particules. La première génération rassemble les particules les plus légères qui sont stables et constituent la matière qui nous entoure alors que les générations 2 et 3 sont constituées de particules plus lourdes créées artificiellement sur Terre dans les accélérateurs de particules et qui se désintègrent rapidement.

Il existe 12 fermions qui sont classés en 2 sous-familles :

– 6 leptons qui ne sont pas sensibles à l’interaction forte :

Première génération : l’électron et le neutrino électronique.

Deuxième génération : le muon et le neutrino muonique.

Troisième génération : le tauon et le neutrino tauonique.

– 6 quarks qui sont sensibles à toutes les interactions :

Première génération : quarks up et down.

Deuxième génération : quarks strange et charmed.

Troisième génération : quarks bottom

(aussi appelé beauty) et top.

Il existe 13 bosons de jauge pour véhiculer 3 forces d’interaction ainsi que la masse aux différentes particules :

Le photon qui est le médiateur de la force électromagnétique.

Les bosons W+, W– et Z0 qui véhiculent la force faible.

Les 8 gluons qui sont responsables de la force forte.

Le boson de Higgs qui confère leur masse aux particules.

Il y a aussi une particule hypothétique appelée graviton qui serait le médiateur de la force gravitationnelle. Je le mentionne ici car cette particule me semble importante mais elle ne fait pas partie du modèle standard qui ne décrit pas les phénomènes gravitationnels. Il existe de nombreuses autres particules élémentaires hypothétiques dans les différentes théories des physiciens (parfois un peu tarabiscotées) mais aucune d’entre elles n’a jamais été détectée.

Les particules composites

Des particules élémentaires peuvent se regrouper sous l’influence des différentes interactions pour former de nouvelles particules.

Le meilleur exemple est le regroupement des quarks sous l’effet de la force forte, formant ainsi une nouvelle classe de particules composites appelées   hadrons.

Les hadrons se décomposent en 2 familles :

Les mésons qui sont composés par un nombre pair de quarks et d’antiquarks. Il en existe à ce jour plus d’une dizaine dont, entre autres, les kaons et les pions.

Les baryons qui sont composés de 3 quarks. On en dénombre plus d’une vingtaine mais les plus connus sont les protons (2 quarks up + 1 quark down) et les neutrons (2 quarks down + 1 quark up).

 En cosmologie, la matière baryonique désigne toute la matière composée de particules élémentaires appelées baryons. En pratique, cela correspond   aux protons, et aux neutrons, auxquels on adjoint implicitement les électrons (qui ne sont pas des baryons, mais des leptons) qui composent les atomes   et les molécules et toutes les structures visibles dans l’univers observable (étoiles, galaxies, amas de galaxies, etc.).

On vient de découvrir (décembre 2014) 2 baryons supplémentaires, les Xi_b’ et Xi_b* qui ont été prévus théoriquement en 2009 (en Chromodynamique quantique)

La force forte agit comme un ressort sur les quarks : plus les quarks tentent de s’éloigner, plus la force forte augmente. Il est ainsi très difficile de séparer des quarks liés (on parle de phénomène de confinement), les différentes théories de la physique décrivent d’autres classes de hadrons, dit exotiques (boules de gluons, tetraquarck, pentaquarck etc.).

Les quasi-particules

Par commodité, la physique peut faire appel au concept de particule pour décrire des phénomènes sans qu’une particule n’existe vraiment, on parle alors de quasi-particule. Une quasi-particule peut par exemple décrire un « manque de particule réelle », ce que l’on appelle un « trou» pour parler de l’absence d’un électron en électricité ou bien encore la propagation d’ondes dans des structures cristallines (phonon).

On appelle désormais l’interaction forte l’interaction de couleur, mais pourquoi ?

Un physicien des particules vous répondra : « facile, c’est parce que les quarks possèdent une couleur !» . Je vous sens septique ? vous avez raison, rien à voir avec une vraie « couleur » au sens propre, c’est juste un délire des physiciens qui ont attribué aux quarks les couleurs verte, bleue et rouge pour illustrer leurs propriétés physiques au même titre qu’une charge électrique dans l’interaction électromagnétique.

Il y a aussi du jaune, du cyan et du magenta pour les anti-quark (les anti particules des quarks) et nos chers gluons sont bicolores, il y en a donc 9 mais en fait il ne sont que 8 pour des histoires symétriques bien compliquées…

Oui, la physique des particules est étrange…Cette histoire de couleur, c’est la théorie de la chromodynamique quantique ou QCD (Quantum Chromo Dynamic): D’après cette théorie, les quarks (et les antiquarks correspondants) sont confinés dans les particules qu’ils constituent et possèdent une propriété nommée « couleur » bleue, verte ou rouge, analogue à la charge électrique de la force électrostatique.

Un autre principe fondamental de la théorie est qu’une particule constituée de quarks doit toujours avoir une couleur résultante… blanche.

Aujourd’hui, lorsque l’on demande au quidam dans la rue de nous donner deux ou trois noms de scientifiques connus, il apparaît que les réponses sont globalement toujours les mêmes.

On retrouve Albert Einstein, Isaac Newton, Marie Curie, François Lavoisier.

En résumé des savants des siècles passés. A croire que de nos jours les cerveaux géniaux sont morts et enterrés.

Quelle erreur de croire cela !

Voici en effet ceux qui aujourd’hui font avancer les connaissances de l’humanité :

Décerné le 7 octobre 2015, le prix Nobel de chimie 2015 récompense trois biologistes pour leurs travaux pionniers sur la réparation de l’ADN : Tomas Lindahl, de l’institut Francis Crick et du laboratoire Clare Hall, à Hertfordshire au Royaume-Uni, Paul Modrich, de l’institut médical Howard Hughes et de l’école de médecine de l’université Duke, à Durham aux États-Unis, et Aziz Sancar, de l’université de Caroline du Nord, à Chapel Hill aux États-Unis.

L’ADN, qui porte une bonne part du code génétique d’une cellule, n’est pas aussi stable qu’on pourrait le penser. Que ce soit de façon spontanée, sous l’effet d’une perturbation (rayonnement ultraviolet, radicaux libres…) ou durant la réplication de l’ADN lors de la division cellulaire, il s’y produit des mutations en permanence. En général, la cellule corrige ces erreurs, et elles passent inaperçues.

Les trois lauréats ont chacun explicité un des mécanismes moléculaires qui permettent à la cellule d’effectuer ces corrections.

Les lauréats du prix Nobel de physique 2015 décerné le 6 octobre 2015 sont le japonais Takaaki Kajita et le canadien Arthur McDonald. Ils sont récompensés pour leur contribution majeure aux expériences Super-Kamiokande et SNO, qui ont mis en évidence le phénomène d’oscillation des neutrinos. Cette découverte montre que ces insaisissables particules ont une masse.

Les neutrinos sont des particules difficiles à détecter. Imaginées en 1930 par Wolfgang Pauli, elles n’ont été observées pour la première fois qu’en 1956 par Clyde Cowan et Frederick Reines grâce à un détecteur situé près d’une centrale nucléaire à Savannah River, aux États-Unis (cette expérience leur a valu le prix Nobel de physique en 1995). Les neutrinos ont des propriétés particulières : ils n’ont pas de charge électrique, ni de charge « de couleur » ; ils sont donc insensibles à l’interaction électromagnétique et à l’interaction forte. Ils n’interagissent avec la matière qu’à travers l’interaction faible, ce qui les rend très difficiles à détecter. Il faut construire des détecteurs gigantesques pour espérer apercevoir le passage d’un neutrino.

Initialement, les physiciens pensaient que les neutrinos avaient une masse nulle, comme les photons. Mais théoriquement, leur masse pouvait aussi être très petite. Comment le vérifier ? Si les neutrinos avaient une masse non-nulle, cela ouvrait la possibilité d’observer un phénomène très particulier nommé oscillation des neutrinos. Il existe trois types – ou « saveurs » – de neutrinos : le premier est associé à l’électron ; on le qualifie de neutrino électronique. Les deux autres, le neutrino muonique et le neutrino tauique, sont associés aux versions plus lourdes et instables de l’électron, le muon et le tau.

Le phénomène d’oscillation implique qu’un neutrino peut changer de saveur spontanément. Ainsi, une partie des neutrinos produits au coeur du Soleil lors des réactions de fusion des noyaux atomiques changent de saveur lors de leur trajet jusqu’à la Terre. Un premier indice de ce phénomène a été mis en évidence par l’expérience Homestake, menée par Raymond Davis à partir de la fin des années 1960, qui n’observait qu’un tiers de la quantité de neutrinos électroniques attendus d’après les calculs théoriques : le reste avait probablement oscillé vers une autre saveur de neutrinos à laquelle l’expérience n’était pas sensible (Raymond Davis reçut le prix Nobel de physique en 2002 pour ces résultats).

Ce sont les expériences Super-Kamiokande, en 1998, et SNO (Sudbury Neutrino Observatory), en 2001, qui ont définitivement mis en évidence le phénomène des oscillations des neutrinos, démontrant ainsi que ces particules ont une masse. Les neutrinos sont, après les photons, les particules les plus abondantes dans l’Univers. Des milliers de milliards de neutrinos traversent votre corps chaque seconde. Mais leur masse est si petite qu’elles ne représentent qu’une toute petite fraction de la masse de la matière de l’Univers. Grâce aux équipes menées par Takaaki Kajita et Arthur McDonald, on en sait un peu plus sur ces particules. Mais des questions restent sans réponses :

Pourquoi la masse des neutrinos est-elle si petite comparée à celle des autres particules du modèle standard ?

Dans quel ordre sont organisées les masses des trois types de neutrinos ?

De quoi inspirer encore de nombreux travaux de physiciens théoriciens et expérimentateurs.

 

Eric Drexter

Eric Drexter est le « père » de la nanotechnologie. Il a popularisé les possibilités nichées dans les plis de la réalité à l’échelle nanométrique. Il a entrepris son travail majeur dans le domaine dans les années 70 et 80, et a publié un livre de référence en 92.

 

 

André Geim

En 2010, Andre Geim a reçu le prix Nobel de chimie avec Konstantin Novesolov pour leur travail commun sur le graphène, le matériau ultra-résistant et ultra-fin qui va révolutionner la science des matériaux.

Mildred Dresselhaus

Mildred Dresselhaus est considérée comme la reine de la science du carbone, et elle est surtout connue pour son travail qui a porté sur le transfert de l’énergie dans les structures microscopiques comme les nanotubes et les nanostructures. Plusieurs expériences révolutionnaires ont vu le jour grâce à son travail.

Alain Aspect

Alain Aspect est connu, en plus de sa superbe moustache, pour son travail sur l’intrication quantique. L’intrication quantique (ou enchevêtrement quantique) est un phénomène observé en mécanique quantique dans lequel l’état quantique de deux objets doit être décrit globalement, sans pouvoir séparer un objet de l’autre, bien qu’ils puissent être spatialement séparés. Ce travail ouvre des voies vers la téléportation par exemple.

Margaret J Geller

Margaret J Geller est une astrophysicienne et cosmologiste qui fut la première à développer des moyens systématiques pour mesurer les structures intérieures des amas galactiques. Elle a aussi été une cartographe pour les étoiles, et a rédigé des cartes détaillées de ces dernières, elle a également permis de comprendre comment les galaxies interagissent avec leur environnement.

Elen Hau

Physicienne danoise, Lene Hau est surtout connue pour son travail spectaculaire dans le transfert de la lumière à la matière. Le processus a des implications très importantes dans l’informatique quantique et le chiffrement.

Peter Higgs

Peter Higgs, prix Nobel de physique, est connu pour son travail de pionnier en particules élémentaires et sub-atomiques, comme les bosons W et Z. En Juillet 2012, le travail au CERN avec le Grand collisionneur de hadrons a confirmé l’existence d’un boson de Higgs qu’il avait pressenti théoriquement.

 

Edward Witten

Considéré comme l’un des physiciens les plus importants, Edward Witten est connu pour son travail dans la théorie des cordes, la gravité quantique et la théorie quantique des champs. Ces deux dernières théories tentent de réconcilier la théorie de la relativité générale avec la théorie quantique, qui sont, actuellement, en contradiction l’une avec l’autre.

Steve Weinberg, largement considéré comme l’un des “plus éminents physiciens théoriciens d’aujourd’hui,” a permis de faire de très grands progrès dans les études de la force faible et de l’électromagnétisme. La première est l’une des quatre forces fondamentales de la nature, et permet d’expliquer les activités des particules subatomiques; et la seconde, une autre force de la nature, explique comment des particules électriquement chargées interagissent entre elles.

Roger Penrose

Avec Stephen Hawking, Roger Penrose a permis en outre l’illumination de l’univers, de la relativité générale et du cosmos. Ses conjectures les plus récentes comprennent un univers qui existait avant le Big Bang, ainsi que les réponses possibles sur la naissance de la conscience à partir de la matière inanimée.

Cet homme a déjà atteint la gloire et la célébrité similaires à celle d’Einstein. Stephen Hawking a révolutionné la théorie quantique et, avec Roger Penrose, a développé la singularité Penrose-Hawking qui a aidé à expliquer le Big Bang. Il a également émis l’hypothèse que les trous noirs émettent de l’énergie et conservent une partie des informations issues des éléments qu’ils absorbent.

Jeremiah Ostriker

Jeremiah Ostriker de l’Université Columbia joue un rôle dans l’étude de la matière noire. Son travail a des répercussions importantes sur d’autres domaines d’études, auxquels il participe, comme les médiums interstellaires et les trous noirs.

Nathan Seiberg  contribue grandement au domaine de la théorie des cordes, un cadre qui soutient que les particules de l’espace peuvent interagir et s’influencer, donnant lieu à des phénomènes physiques.

Il a publié abondamment, en particulier sur la dualité force forte-force faible, qui aide les scientifiques en simplifiant les équations complexes de la théorie des cordes.

Charles Townes

Feu Charles Townes a reçu le prix Nobel de physique en 1964 pour son travail, avec Nikolay Basov et Alexander Prokhorov, sur le maser. C’est un dispositif permettant de créer des micro-ondes en utilisant des photons qui excitent les atomes à faible consommation d’énergie. Le dispositif a été utilisé pour produire avec succès des rayonnements de très forte puissance.

Tsung-Dao Lee

Tsung-Dao Lee a obtenu le prix Nobel en 1957, à 31 ans, en collaboration avec Chen Ning Yang pour ses travaux sur la violation de parité, qui est une anomalie qui se produit au sein des particules subatomiques dans les interactions faibles.