Martial DucloyPrésident

Société Française de Physique&

Laboratoire de Physique des LasersInstitut Galilée & CNRSUniversité Paris Nord

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

CESE – 8 Février 2011

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

Les grandes ruptures en physique • La Grèce Antique (600-300 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 20ème siècle: la relativité, la physique quantique

- Planck, Einstein, Bohr…

Raphael, L’Ecole d’Athènes

Les bases de la science grecque • Les Milésiens (6ème 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 » (5ème avant JC)

• Héraclite d’Ephèse: “tout change” • Parménide d’Elée: “rien ne se crée, rien ne se perd” • Leucippe, Démocrite (460-370 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

Aristote (384-322 av JC)

• Il est le 1er 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 5ème 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

Terre: froid et secEau: froid et humideAir: chaud et humideFeu: chaud et sec

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 (1320-1382)]

Les objections antiques à la rotation terrrestre

• Objections religieuses : la Terre doit être au centre de l’Univers (reprisesensuite 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 16ème siècle

La démonstration irréfutable : le pendule de Foucault

Pendule de Foucault

Le Pendule de Foucault

Galilée (1564-1642)

Galilée (1564-1642) : 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

Plus tard (environ 400 av. J.C.), un gnomonPerfectionné : Le cadran solaire

Le gnomon

La mesure du temps:Les premières horloges

Les horloges à pendule : apparition au XVIIème siècle

Le poids(moteur)

Le pendule(mouvement régulier)

Lalune

Vénus

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

Galilée

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

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?

1905, « Annus Mirabilis » d’Einstein

• L’effet photo-électrique

Photon, le quantum de lumière

• La relativité

E= mc2 (équivalence masse-énergie)

• Le mouvement Brownien

Approche statistique de la micro-physique et du monde atomique

La relativité

• La relativité « restreinte » (1905)

Vitesse de la lumière : un « invariant » Relativité du temps (les « jumeaux » de Langevin) E= mc2 (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)!

La physique quantique

•Dualité « Ondes - Particules » de la lumière (Einstein): ondes électromagnétiques et photons simultanément

Biot

Einstein

Newton

Poisson

Fresnel

Arago

Maxwell

Young

Nature de la lumièreFentes d’Young

Fentes d’Young photons par photons

Ondes ? Particules ?

Réalisation:T. Toury, J-F. Roch, K. Fadel, J-M Mercier, C. de Hosson,…

T = 3s

T = 30s

T = 150s

T = 600s

1.5 mm

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

Le laser: Qui ? Quand ? Comment ?

• Bases : Albert Einstein (1917)• Théorie : Charles Townes (1958)• Pratique : Théodore Maiman (1960)

1897

Cavité Fabry Perot

1917

Emission Stimulée

Einstein

1950

Pompage Optique

A. Kastler

Source d’énergie

Cavité résonnante

SynthèseRéalisation

1960

Maiman

SchawlowTownesBasov

Prokhorov

Milieu amplificateur

Crédit S. Forget-Paris13

L.A.S.E.R:Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

LASER : un Oscillateur Optique

Les lasers sont partout !

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

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…)?

• …

• …