Perspectives de la recherche en physique

Transcription

1 Perspectives de la recherche en physique et quelques réflexions sur la meilleure manière d avoir des scientifiques pour la mener dans le futur Jean Dalibard Chercheur au CNRS, Professeur à l Ecole polytechnique Journées IG-IPR 1-2 avril 2010

2 Donner le goût pour les Sciences? 1. Ne pas perdre ce goût! L enfant de deux ou trois ans qui joue sur la plage a (presque) une démarche scientifique 2. Ne pas chercher d alibi pour faire des sciences La science est d abord une aventure intellectuelle 3. Ne pas «borner» la science à un vécu quotidien Recherche de l universel Les scientifiques construisent eux aussi des pyramides/cathédrales

3 1. Ne pas perdre le goût des sciences? Trop dogmatique Trop rigoureux Trop d implication dans «les malheurs du monde»

4 Trop dogmatique? Les sciences sont un terrain de jeu parfait pour exercer son raisonnement, pourvu qu on s y prenne bien Rôle crucial de l enseignant : humilité devant le Réel Le garagiste d Einstein Raisonnement qui permet de savoir quelle vis tourner : Rotation de la vis : Total : 195 dollards 5 dollards 200 dollards

5 Trop rigoureux? La mathématisation des phénomènes physiques ou biologiques est parfois un obstacle, même pour ceux qui aiment les maths en tant que telles Galilée: La philosophie est écrite dans ce vaste livre (je veux dire l'univers), et on ne peut le comprendre si d'abord on n'apprend pas à connaître la langue et les caractères dans lesquels il est écrit. Or il est écrit en langue mathématique, et ses caractères sont les triangles, les cercles et autres figures géométriques, sans lesquelles il est Humainement impossible d'en comprendre un seul mot Eugene Wigner : La déraisonnable efficacité des mathématiques dans les Sciences de la Nature Montrer comment des concepts simples (une fois mathématisés) ont émergé et ont permis de simplifier les modèles forces et actions à distance : Newton vs. Descartes

6 Trop impliqué dans «les malheurs du monde»? En débattre est déjà une démarche scientifique Peut-on contribuer à éliminer ces «malheurs du monde» si on renonce à toute culture scientifique? Acquérir un bagage scientifique de base semble au contraire être un acte nécessaire pour maîtriser les décisions à prendre en tant que citoyen

7 2. Ne pas chercher un alibi pour faire des sciences Aventure intellectuelle technologique révolution

8 Ne pas chercher un alibi pour faire des sciences: l exemple de la mécanique quantique

9 La dualité onde-corpuscule H = 1m De Broglie 1923: On sait que dans certains cas, les ondes lumineuses se comportent comme des particules. Inversement, qu en est-il de la matière ordinaire? Peut-elle se comporter comme une onde? A. Tonomura et son équipe, Hitachi Research Laboratory 10 électrons par seconde Des électrons sont émis un par un par la source située en haut, et on mesure la position de leur impact sur l écran de détection en bas.

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11 Le double caractère d une particule quantique Caractère corpusculaire, révélé quand on détecte l électron en un point donné. Caractère ondulatoire, révélé par la figure d interférence. Mais une onde emplit tout l espace!!! Tant qu on n a pas fait de mesure, l électron est à la fois à gauche et à droite du fil central

12 L'indéterminisme de la mécanique quantique Tant qu on n a pas fait de mesure sur la position de l électron, on ne sait pas où on va le trouver Indéterminisme équivalent à celui d'un tirage à pile ou face? Réponse quantique : Non. Cet indéterminisme est intrinsèque et ne résulte pas d'une mauvaise conditions initiales ou du mouvement ultérieur connaissance des Mais est-on sûr que la mécanique quantique soit la théorie ultime? Einstein : "Dieu ne joue pas aux dés" Une théorie déterministe donnant les mêmes résultats que la mécanique quantique peut-elle exister? Non : inégalité de Bell + expériences d Alain Aspect.

13 Physique quantique et industrie Décembre 1947 Le premier transistor Bardeen Brattain Shockley 1958 Le premier circuit intégré (Jack Kilby) 2005 Circuit à de transistors (Intel) feuilles d or germanium

14 Nanotechnologies et «loi» de Moore Grâce à la réduction continue de la taille des composants, la mémoire et la puissance de calcul double tous les 18 mois Mais on va bientôt atteindre la limite «quantique» ultime

15 Une nouvelle «révolution» quantique? L étrangeté quantique («être à la fois à gauche et à droite») peut être mise à profit pour traiter l information de manière radicalement différente Dans ce traitement quantique de l information, chaque «bit» élémentaire est à la fois dans les états 0 et 1, «vrai» et «faux» 40 atomes piégés, portant chacun 1 bit d information Dans un «ordinateur quantique», tous les calculs possibles seraient menés simultanément : accélération considérable de certains algorithmes Mais les problèmes physiques et technologiques sont redoutables!

16 Ne pas chercher un alibi pour faire des sciences: l exemple de l interface physique biologie

17 Une expérience historique : la résonance magnétique nucléaire 1945 Bloch Purcell En étudiant l absorption d une onde électromagnétique par les noyaux des atomes composant un échantillon solide ou liquide, ils ont pu voir la constitution de ce liquide hydrogène, oxygène, phosphore, etc Citation Nobel : «fantastique exploit d avoir pu établir un contact radio avec les constituants ultimes de la matière, en découvrant leurs fréquences de réception»

18 La RMN en médecine = IRM On regarde les protons de l'eau, en utilisant le fait que la teneur en eau d'une cellule malade est différente de celle d'une cellule saine. On utilise des gradients de champ magnétique, ce qui permet des coupes dans des plans donnés. On reconstruit ensuite par ordinateur des images 3D.

19 Imagerie fonctionnelle

20 Neurospin sur le plateau de Saclay «comprendre le cerveau par l image» Inauguration le 24 novembre 2006 En 2011, champ de 11.7 Teslas homogénéité spatiale 10-10

21 Waisman Laboratory University of Wisconsin NeuroImage 21 (2004) Université du Wisconsin

22 3. Ne pas borner la science à un vécu quotidien

23 Les scientifiques construisent eux aussi des cathédrales/pyramides Le détecteur Atlas du LHC Réseau de télescopes de l ESO

24 Quelle matière/énergie compose l Univers? La matière que nous connaissons est formée d atomes, qu on détecte grâce à la lumière qu ils émettent L analyse du mouvement des galaxies nous suggère que 96% de la matière/énergie nous est inconnue!!!

25 Les planètes extrasolaires 442 planètes ont été détectées depuis 1995, à quelques dizaines d années lumière de nous étoil e Ce sont essentiellement des planètes géantes, de type Jupiter, mais pas exclusivement Recherche de traces de vie : dioxyde de carbone + eau + ozone

26 Le message de Pioneer (lancée en 1972)

27 Pourquoi vouloir faire/étudier les sciences? Le Plaisir curiosité fondamentale, passion de la découverte Le Devoir sciences et techniques ont amené nos sociétés en un point où plus de sciences sont indispensables

28 Pas vraiment un nouveau débat Platon et Aristote Détail de l'école d'athènes de Raphaël Montrer comment des concepts simples (une fois mathématisés) ont émergé et ont permis de simplifier les modèles forces et actions à distance : Newton vs. Descartes