L histoire de la Physique, d Aristote à nos jours: Evolution, Révolutions

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1 L histoire de la Physique, d Aristote à nos jours: Evolution, Révolutions Martial Ducloy Président Société Française de Physique & Laboratoire de Physique des Lasers Institut Galilée & CNRS Université Paris Nord CESE 8 Février 2011

2 Histoire de la Physique de la Grèce Antique à Einstein La révolution des années 1900 et la physique contemporaine Quel futur?

3 Les grandes ruptures en physique La Grèce Antique ( av JC) : L approche rationnelle - Anaximandre, Pythagore, Aristote La Renaissance en Europe: La naissance de la science moderne - Copernic, Kepler, Galilée, Newton Le début du 20 ème siècle: la relativité, la physique quantique - Planck, Einstein, Bohr

4 Raphael, L Ecole d Athènes

5 Les bases de la science grecque Les Milésiens (6 ème siècle avant JC) Thalès de Milet, Anaximandre, Anaximène Cosmologie (origine du monde), interprétation de phénomènes naturels Anaximandre : la Terre est un corps flottant dans l espace Les Pythagoriciens (Pythagore, Philolaos de Crotone ) Ils cherchent à donner un fondement quantitatif, mathématique, à la connaissance de la nature : utilisation de la théorie des nombres en acoustique (harmonies musicales), en astronomie (harmonie des sphères) Le problème du «changement» (5 ème avant JC) Héraclite d Ephèse: tout change Parménide d Elée: rien ne se crée, rien ne se perd Leucippe, Démocrite ( BC) : «théorie atomique» * atome = indivisible (ατομων ) Les débuts de la science et de la philosophie grecque : *Les principes: pas d appel à une autorité surnaturelle, une approche rationnelle, principes de libre discussion et d accès public à l information

6 Aristote ( av JC) Il est le 1 er à introduire la physique - «ὐσis» - : il sépare mathématique et physique Cherche à proposer une description harmonieuse du monde naturel basée sur la raison, les mathématiques, les données sensorielles La vision du monde d Aristote Vision géocentrique séparant les mondes sublunaire et céleste : description du monde terrestre et des corps matériels en termes qualitatifs et géologiques à l aide des quatre éléments primordiaux (terre, eau, air, feu ; cf. Empédocle) mélangés en proportions variées réfutation de l atomisme, et absence de vide description des astres (soleil, lune, étoiles, planètes ) comme le monde céleste de la perfection, baignant dans un 5 ème élément, l éther, à l aide d approches géométrique et mathématique, où la terre est le centre du monde (théorie des sphères concentriques d Eudoxe de Cnide) Cette vision (géocentrisme, opposition entre mondes terrestre et céleste) définie par Aristote va être reprise par les religions et l église (St Thomas d Aquin), et verrouiller la description physique du monde pour 20 siècles, de l époque romaine à la renaissance

7 Terre: froid et sec Eau: froid et humide Air: chaud et humide Feu: chaud et sec

8 La terre tourne-t elle? «Eppur si muove» Les ruptures dans l évolution scientifique Aristarque de Samos : Vision héliocentrique du monde, ou la terre tourne sur elle-même [reprise par Nicholas Oresme ( )] Les objections antiques à la rotation terrrestre Objections religieuses : la Terre doit être au centre de l Univers (reprises ensuite par l église catholique pendant des siècles) Objections physiques et astronomiques : * Doctrine aristotélicienne tirée des mouvements «naturels»: tout corps lourd se meut naturellement (tombe) vers le centre de la terre * Effet sur les objets en déplacement dans l air (nuages, projectiles) qui devraient être influencés par la rotation terrestre * Absence apparente de parallaxe stellaire durant la rotation autour du soleil Les astronomes et savants grecs n étaient pas prêts pour cette rupture : 2000 ans, et bien des batailles, des excommunications, seront nécessaires pour que cette vision s affirme à partir du 16 ème siècle La démonstration irréfutable : le pendule de Foucault

9 Pendule de Foucault

10 Le Pendule de Foucault

11 Galilée ( )

12 Galilée ( ) : les débuts de la science moderne Le fondateur de la mécanique rationnelle adopte le système copernicien héliocentrique systématise la méthode expérimentale : chute des corps indépendante du poids utilisation du plan incliné (v ~ temps de chute) met au point le pendule analyse des oscillations ; la mesure du temps utilisation de la lunette : observation de Jupiter (satellites), Vénus, la Lune les symètries : principe d inertie, composition des vitesses, référentiel galiléen Képler et Galilée ont ouvert la voie à Newton et la grande synthèse de la gravitation

13 La mesure du temps: Les premières horloges Le gnomon Plus tard (environ 400 av. J.C.), un gnomon Perfectionné : Le cadran solaire

14 Les horloges à pendule : apparition au XVII ème siècle Le poids (moteur) Le pendule (mouvement régulier)

15 La lune Vénus

16 «La Nature est comme un livre écrit en langage mathématique» Galilée

17 La Nature de la Lumière Les précurseurs (Képler, Snell, Descartes, Fermat): réfraction La décomposition chromatique par un prisme (Newton) Les deux hypothèses: particule (Newton) ou onde (Huygens)? Le 19ème siècle: triomphe de l optique ondulatoire: interférence, diffraction, optique cristalline, avec Th. Young, A. Fresnel, F. Arago (pas d hypothèse sur la nature de l onde) La grande synthèse de Maxwell sur les phénomènes vibratoires électriques et magnétiques (1864): Champ de vecteurs se propageant dans un éther hypothétique

18 Le 19ème Siècle Les avancées scientifiques L électricité et le magnétisme: les phénomènes électromagnétiques et la lumière La thermodynamique «Quelques nuages» (Lord Kelvin en ~1900) Le rayonnement du corps noir L absence de vent d éther dans la mesure de la vitesse de la lumière Les raies spectrales Problème plus général: Comment concilier mécanique et ondes électromagnétiques?

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20 1905, «Annus Mirabilis» d Einstein L effet photo-électrique Photon, le quantum de lumière La relativité E= mc 2 (équivalence masse-énergie) Le mouvement Brownien Approche statistique de la micro-physique et du monde atomique

21 La relativité La relativité «restreinte» (1905) Vitesse de la lumière : un «invariant» Relativité du temps (les «jumeaux» de Langevin) E= mc 2 (équivalence masse-énergie) : l énergie nucléaire La relativité générale (1916) Généralisation de la relativité à la gravitation Applications : la cosmologie (big bang, trous noirs, etc.), le GPS (a besoin de la relativité générale)!

22 La physique quantique Dualité «Ondes - Particules» de la lumière (Einstein): ondes électromagnétiques et photons simultanément

23 Ondes? Nature de la lumière Particules? Fentes d Young T = 3s 1.5 mm Fresnel Newton T = 30s Young T = 150s Biot Arago T = 600s Fentes d Young photons par photons Poisson Maxwell Réalisation: T. Toury, J-F. Roch, K. Fadel, J-M Mercier, C. de Hosson, Einstein

24 La physique quantique Dualité «Ondes - Particules» de la lumière (Einstein) Dualité similaire pour les particules matérielles de masse non nulle: électron, proton, etc. (de Broglie, Schrödinger ): La mécanique quantique Toute la physique microscopique est gouvernée par des équations d onde: cristaux, métaux, atomes, particules élémentaires (CERN) Les applications: L électronique, l informatique (nanotechnologies, etc.) Les lasers

25 Bases : Albert Einstein (1917) Théorie : Charles Townes (1958) Pratique : Théodore Maiman (1960) Le laser: Qui? Quand? Comment? Cavité résonnante Cavité Fabry Perot 1897 Source d énergie Milieu amplificateur Emission Stimulée 1917 Pompage Optique 1950 Synthèse Réalisation 1960 Maiman Einstein A. Kastler Schawlow Townes Basov Prokhorov Crédit S. Forget-Paris13

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27 L.A.S.E.R: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation LASER : un Oscillateur Optique

28 Les lasers sont partout!

29 Applications du LASER * Télécommunications optiques (lasers couplés avec fibres optiques prix Nobel 2009) * Télémétrie, alignement, mesures de distances (terre-lune) * LIDAR (Light Detection and Ranging) * Applications médicales (ophtalmologie, chirurgie, diagnostic) * Restauration d œuvres d art * Stockage d informations, lectures :CD, code-bar, imprimantes * Machines industrielles * Le Laser MégaJoule

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31 Le futur Comment réconcilier physique quantique et gravitation? Développement de la «spintronique» (électronique de spin- Albert Fert, prix Nobel 2007) Le calcul quantique, les ordinateurs quantiques (avec des «bits quantiques» - «qbits») La physique moderne va-t-elle apporter des réponses aux problèmes actuels (climat, environnement, énergie )?

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