Sommaire. Avant-propos... 9 Chapitre I : La métamorphose de la physique Un environnement bien tranquille Le saut dans l inconnu...

Transcription

1 Sommaire Avant-propos... 9 Chapitre I : La métamorphose de la physique Un environnement bien tranquille Le saut dans l inconnu Chapitre II : Les grands principes et les notions essentielles Les principes de conservation de quantités physiques Acte I : Énergie Acte II : Impulsion Acte III : Moment angulaire Acte IV : Autres quantités physiques Acte V : Intervention d Emmy Noether Acte VI : Le principe de moindre action Les notions essentielles Champ Interaction Symétries Symétrie de jauge et brisure de symétrie Théorie de jauge Antimatière Une application des antiparticules : le TEPscan hospitalier Chapitre III : La montée vers la simplicité Prologue : le capharnaüm des interactions à l aube du XX e siècle Étape 1 : l interaction gravitationnelle Étape 2 : l interaction électromagnétique Interaction électromagnétique et charges électriques, équations de Maxwell Le spectre électromagnétique La lumière visible et l arc-en-ciel Le rayonnement électromagnétique et le corps humain Étape 3 : l interaction faible

2 La radioactivité Un voyage magique et merveilleux vers l atome La désintégration Une application de la désintégration - : la datation au Carbone La désintégration Il y a un fantôme dans la désintégration -! Les neutrinos Oscillations et énergies de masse des neutrinos Le fonctionnement des étoiles (le soleil) Étape 4 : l interaction électrofaible Courants chargés et courant neutre Étape 5 : l interaction forte La théorie des quarks La chromodynamique quantique ou QCD Les gluons Une corde Le confinement des quarks Étape 6 (et dernière) : le modèle standard Conservation du nombre leptonique Conservation du nombre baryonique Conclusion sur le modèle standard Le siècle de la physique des particules Vers la Grande Unification Chapitre IV : La relativité restreinte Préambule : un état des lieux des «galiléens» à l arrivée d Einstein Une histoire de référentiels L expérience décisive : Michelson et Morley L apport d Einstein en 1905 : un photon dans deux référentiels Masse-énergie Espace-temps Une affaire de métrique La métrique de l espace euclidien La métrique de l espace-temps Une nouvelle unité de longueur : la «seconde-lumière» (Chrono)géométrie de l espace-temps, cône de lumière et ligne d univers Chapitre V : La relativité générale Prélude : la relativité restreinte laisse à Einstein un goût amer Un ascenseur en chute libre Une boîte aux confins de l univers Principe d équivalence Formalisme de la relativité générale Notation de Riemann Vers l équation d Einstein

3 Une image gastronomique de l espace-temps déformé Une image mobilière de l espace-temps déformé La théorie d Einstein confrontée à la réalité expérimentale Chapitre VI : Physique quantique : naissance et premiers pas Introduction : Qu est-ce que la physique quantique Mécanique quantique : quand? Naissance de la mécanique quantique : la constante de Planck La mécanique quantique s installe : l effet photoélectrique Argument des réticents Chapitre VII : Physique quantique : fin de l adolescence Les réticents K.-O La mécanique quantique rallie les derniers «refuzniks» : l effet Compton La fin de la controverse : la lumière est une onde et un corpuscule Le grand saut : TOUT est onde et corpuscule L apport de Broglie : le triomphe de l onde Représenter une particule : une fonction d onde Chapitre VIII : Physique quantique : la maturité L équation de Schrödinger Une application de l équation de Schrödinger : le microscope à effet tunnel Chapitre IX : Physique quantique : la sagesse Le modèle de l atome de Bohr Portrait de l atome Électrons Noyau Retour à l atome de Bohr Une application de l atome de Bohr : le laser Demi-vie ou vie moyenne Une autre expérience décisive : Stern et Gerlach Le spin Principe d exclusion de Pauli, statistique de Bose-Einstein Une application du spin : l IRM hospitalier Précision de la mesure : les incertitudes de Heisenberg L électrodynamique quantique ou QED Les diagrammes de Feynman Calcul du moment magnétique de l électron Le problème des infinis : la renormalisation Fin des controverses Conclusion Épilogue

4 Bibliographie Appendice I : Puissances de 10, unités et tailles comparées Puissances de 10 et appellations usuelles Autres unités d énergie et de longueur Taille comparée de quelques objets Appendice II : Les éléments Tableau périodique des éléments ou classification périodique Utilisation du tableau périodique Représentations d un élément Chaîne de L Uranium Isotopes Configurations électroniques Brève histoire de l univers, naissance des éléments Appendice III : Jargon Section efficace Luminosité Nombre d Avogadro Mole Distribution angulaire Calendrier d une expérience simple Appendice IV : Compléments mathématiques Petit rappel des règles mathématiques à respecter I. Démonstrations diverses Calcul des paramètres de la collision Compton Obtention de la loi de décroissance exponentielle Relation entre fréquence et longueur d onde pour un photon La théorie de jauge : des cercles et des ressorts II. Démonstrations relatives à la relativité Un photon dans deux référentiels Expérience de pensée donnant le facteur de dilatation du temps Justification de la contraction des longueurs Loi des vitesses avec les transformations de Galilée et de Lorentz-Poincaré La transformation de Galilée est : La transformation de Lorentz-Poincaré est : Obtention de l équation d Einstein E = mc Notation de Riemann et théorème de Pythagore Métrique de l espace euclidien Métrique de l espace-temps Le cône de lumière et les régions de l espace-temps

5 III. Démonstrations relatives à la physique quantique Expression d un minuscule système en unités de h, sa longueur d onde Fonction d onde de Broglie Rayons possibles pour les orbites de l atome de Bohr Petites règles mathématiques pour la suite Dérivée seconde, par rapport à l espace, de la fonction d onde Obtention des deux relations de base de l équation de Schrödinger Première relation : variation de la fonction d onde par rapport au temps Deuxième relation : variation de la fonction d onde par rapport à l espace Obtention de l équation de Schrödinger Résolution de l équation de Schrödinger (cas particulier de l effet tunnel) Appendice V : Listes diverses Liste des analogies et des exemples Liste des figures Liste des scientifiques cités dans cet ouvrage qui ont reçu un prix Nobel Glossaire Index