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- Mise à jour le 17 Décembre 2011
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- CONFÉRENCE
MENSUELLE DE LA SAF
"L’ESPACE, LE TEMPS, L’ESPACE-TEMPS
ET LA NOUVELLE PHYSIQUE"
- Par Marc
LACHIEZE-REY
- Directeur de
recherche CNRS,
APC (AstroParticules et Cosmologie) Paris VII
- Au
FIAP, 30 rue Cabanis, 75014 Paris (métro Glacière).
- Le Mercredi 14 Décembre
2011 à 20H30
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- Photos : JPM. pour l'ambiance (les photos avec
plus de résolution peuvent m'être
demandées directement)
- Les photos des slides sont de la présentation
de l'auteur. Voir les crédits
des autres photos et des animations.
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- Salle comble grâce à notre super conférencier !
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- Marc
Lachièze-Rey est un de nos plus
grands astrophysiciens, il travaille au centre APC, Astro Particules et
Cosmologie qui dépend de l’Université Paris VII.
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- Il a publié de nombreux ouvrages à la fois très
spécialisés mais aussi certains, plus à la portée du grand public. Voir
en bas de ce compte rendu.
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- Il nous parle (sans notes !!) de l’évolution
des notions d’espace et de temps dans la physique et dans quelles
directions on compte de les faire évoluer aujourd’hui.
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- Tout commence avec Aristote, pour lui pas de
notion d’espace, mais uniquement de lieu.
- Son savoir ainsi que le savoir Grec nous est
transmis par les Arabes.
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- Isaac
Newton est le créateur de la physique
moderne ; il introduit un cadre pour la physique qui comprend un espace
et un temps.
- Il y a un espace physique qui se décrit par un
espace géométrique.
- Pour lui, l’Univers est un espace infini.
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- L’espace est homogène (pas de centre pas
frontière) et isotrope (pas de direction privilégiée).
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- Il introduit la loi de la gravitation
universelle qui agit dans l’espace isotrope et définit une direction
privilégiée.
- La vie de tous les jours est régie par les
lois de Newton.
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- Concernant le temps, Newton l’assimile à une
droite. À chaque instant on peut définir la durée par rapport à une
origine.
- La propriété essentielle du temps newtonien
est que l’on peut associer une date à n’importe quel événement.
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- Donc, on peut définir la simultanéité de deux évènements, ce qui sera nié plus
tard par Einstein.
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- Newton énonce aussi le principe d’inertie et
en cinématique la loi
d’addition des vitesses.
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Le
XIXème siècle arrive, et on s’aperçoit que la lumière n’obéit pas
à la loi d’addition des vitesses, il existe une limite absolue, la
vitesse de la lumière.
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- Ceci sera démontré par la célèbre expérience
de Michelson et Morley.
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- À l’époque on pensait que la lumière se déplaçait
dans un milieu qu’on appelait l’éther. Afin de savoir si notre Terre se
déplaçait dans cet éther, on monta cette expérience d’interférométrie.
Si c’était le cas, on aurait dû avoir des figures d’interférences
différentes pour les miroirs correspondants au mouvement dans le sens de
l’orbite de la Terre et perpendiculaire à celle-ci.
- Ce ne fut pas le cas. L’éther n’existe pas !
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- Hendrik
Lorentz, physicien néerlandais et Henri
Poincaré mathématicien français, se sont attelés au problème de la
composition des vitesses qui tiendrait compte de la limite finie de la
vitesse de la lumière.
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- Cela aboutit vers les années 1920, aux célèbres
transformations de Lorentz,
qui se réduisent aux formules newtoniennes pour la vie de tous les jours.
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- C’est Einstein qui plus tard va réellement
comprendre et expliquer ces formules.
- Il prétend que
l’espace et le temps n’existent pas, et que par conséquence la simultanéité
n’existe pas non plus.
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- Albert
Einstein, en 1905, publie sa théorie
de la Relativité Restreinte (RR restreinte car sans gravitation, en anglais
special relativity) où il n’y a pas d’espace ni de temps.
- Cette théorie nous sert tous les jours avec le
GPS !!
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- Quand la vitesse d'un objet est proche de
celle de la lumière, il se passe des phénomènes qui vont contre le sens
commun :
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Le temps ralentit
- ·
Les distances se contractent
- ·
La masse des objets augmente.
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- Elle est aussi la base du paradoxe des
jumeaux de Langevin.
- On considère deux jumeaux, l’un fait un
voyage dans l’espace à une vitesse proche de la vitesse de la lumière et
revient sur Terre, l’autre reste sur Terre.
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Au départ
disons qu’ils ont 20 ans tous les deux.
- Au retour sur Terre, le jumeau resté sur Terre
a 40 ans, le jumeau astronaute 30 ans !
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- Il y a eu dilatation du temps. Pour le jumeau
resté sur Terre, la durée de l’absence de son frère est supérieure au
temps passé par celui qui voyage.
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- Mais contrairement à ce que l’on pourrait
croire, ils ont vécu
pendant le voyage, chacun réellement 20 ans et 10 ans biologiques
que l’on peut vérifier aussi sur une montre.
- C’est la preuve que le temps n’existe pas !
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- Le
temps et l’espace sont remplacés par l’espace-temps, qui est différent
de la simple réunion de l’espace et du temps !
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- Cette entité s’appelle l’espace-temps
de Minkowski, car c’est Hermann Minkowski, mathématicien russe, qui a
modélisé cet espace à 4 dimensions rendant compte de la RR.
- Mais il existe aussi d’autres géométries,
par exemple celle de Riemann.
- L’espace-temps de Minkowski est plat. Une
particule décrit une droite dans cet espace, c’est le principe
d’inertie.
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- Mais l’espace-temps de Minkowski de la
Relativité Restreinte, ne prend pas en compte la gravitation.
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- Albert Einstein veut intégrer la gravitation
dans sa théorie.
- La gravitation va devenir une propriété de
l’espace-temps qui introduit
une courbure de cet espace-temps.
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Les
objets suivent la forme de l’espace-temps, ils suivent la courbure, leurs
trajectoires ne sont plus des droites mais ce que l’on appelle des
géodésiques.
- Géodésique entre deux points est la
trajectoire dont la durée est la plus longue (alors que pour une droite
c’est la distance la plus courte).
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- La masse déforme l’espace-temps en créant
une courbure de celui-ci.
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- C’est la théorie de la Relativité Générale (RG).
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- Ce sont les équations d’Einstein qui vont
permettre de calculer la courbure de l’espace-temps.
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- Cette
équation lie la géométrie de l'espace-temps à la répartition de matière
et d'énergie.
- R est le tenseur de Ricci qui caractérise la
courbure spatio-temporelle. T est le tenseur énergie-matière.
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- Ces équations sont valables dans tout l’Univers ;
mais il est bien évident que dans notre système solaire, la physique
newtonienne en découle pour tout ce qui est très inférieur à c et pour
des masses relativement faibles.
- La seule exception est Mercure qui est si
proche du Soleil, Soleil qui est une masse énorme et qui déforme
l’espace-temps de la première planète.
- Ce sera une grande victoire d’Einstein
d’expliquer grâce à sa nouvelle théorie, l’avance
du périhélie de Mercure.
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- Une question se pose : existe-t-il une
solution globale à l’équation d’Einstein ?
- Einstein lui-même a cherché, puis Dirac,
d’autres aussi en introduisant des géométries différentes.
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- À l’époque d’Einstein, Théodor
Kaluza et Oskar Klein ont essayé d’unifier les deux interactions
fondamentales que sont la gravitation et l‘électromagnétisme. Ils
introduisent une cinquième dimension (qui serait tellement petite et repliée
sur elle même que l’on ne pourrait pas l’appréhender).
- Les équations d’Einstein correspondent à
l’espace-temps à 4 dimensions.
- Et ça marche pas mal !
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- Mais à la même époque, la physique quantique
est découverte.
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- La lumière qui était suivant les savants soit
ondes (Huygens) soit corpuscules (Newton) devient à la fois ondes et
corpuscules, c’est la dualité onde-corpuscule (De Broglie).
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- Des objets nouveaux sont introduits : les
quantas qui dans certaines conditions sont soit ondes soit particules.
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- Illustration :©
Zach Weiner
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- Cela va donner naissance à une nouvelle géométrie, la
géométrie non commutative. (développée par Alain
Connes).
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- (non commutatif signifie dans notre monde que
par exemple
- AxB différent
de BxA).
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- Puis au cours du XXème siècle on découvre les
4 forces de la nature :
- ·
l'interaction gravitationnelle, responsable de la pesanteur, ou
encore des phénomènes astronomiques, portée illimitée
- ·
l'interaction électromagnétique, responsable de l'électricité, du
magnétisme, de la lumière etc transportée par le photon
- ·
l'interaction forte, responsable de la cohésion des noyaux
atomiques, très puissante..
- ·
l'interaction faible, responsable de la radio-activité bêta,
qui permet au Soleil de briller. Rayon d'action très court.
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- Ceci a donné naissance au Modèle
Standard de la physique.
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- C’est une solution inélégante et compliquée
d’après Marc Lachièze Rey, car la gravitation
n’est pas incluse dans ce cadre.
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- On est en présence de deux mondes,
l’infiniment petit avec la Mécanique Quantique et son Modèle Standard,
et l’infiniment grand avec la Relativité Générale et la gravitation. Ces deux mondes sont incompatibles et s’ignorent,
alors qu’indépendamment ils fonctionnent.
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- On sent bien qu’il manque quelque chose.
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- Ce sera l’objet de la Nouvelle Physique de réconcilier ces deux mondes. Pourra-t-on
les réunir en une seule théorie ? C’est le but ultime de la
physique actuelle.
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- Il y a différentes pistes pour y aboutir.
Citons-en deux principales :
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- ·
La
théorie des cordes (string theory en anglais) qui introduit de
nombreuses dimensions supplémentaires.
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La
gravité quantique à boucle (loop quantum gravity en anglais) où on
essaie de quantifier la gravitation. C’est très prometteur.
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- Il existe aussi d’autres théories trop
compliquées pour être expliquées ce soir comme la théorie des catégories.
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- Bref, en conclusion, la physique c’est de la géométrie d’après Marc Lachièze-Rey !
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- De nombreuses questions d’un public très
curieux ont conclu la soirée.
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- POUR ALLER PLUS LOIN.
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- Vers
la Gravitation Quantique :
CR de la conférence SAF de M Lachièze Rey du 14 Janvier 2006
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- Les
transformations de Lorentz avec tous
les détails.
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- http://fr.wikipedia.org/wiki/Paradoxe_des_jumeaux
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- Les
jumeaux de Langevin par A. Moatti.
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- Le
paradoxe de Langevin, CR de la conférence
SAF de B Christophe.
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- Construction
de l’espace-temps de Minkowski par R
Bouzerar.
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- L’espace-temps
de Minkowski par Nathalie Deruelle.
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- H.
Minkowski et le scandale de l’espace-temps
par Scott Walter de l’Université de Nancy, présentation pdf.
-
- Cours
de relativité générale par Éric
Gourgoulhon du LUTH Observatoire de Paris.
-
- Discussion
critique autour des principes fondamentaux de la cosmologie moderne
par JM Alimi du LUTh.
-
- Les
équations de la cosmologie par A
Mertz de la SAF.
-
- Kaluza-Klein
Gravity par J. M. Overduin
-
- La
théorie quantique des champs par
G Cohen-Tannoudji, présentation ppt
-
- « D’où
venons-nous ? Ou allons-nous ? Les grands défis
cosmologiques du 21ème siècle » Gabriele VENEZIANO,
Professeur au Collège de France à la BNF.
-
- The
official string theory website.
-
- La
Théorie des Cordes
par le club Orion.
-
- La
théorie des cordes par Alexandre
Depire de l’Institut Henri-Poincaré, à voir c’est bien introduit.
-
- "LE
SIÈCLE D'ALBERT EINSTEIN" COLLOQUE DU 11 AU 15 JUILLET 2005 à
l'UNESCO Paris
-
- La
magie du Cosmos par Brian Greene
-
- La
gravitation quantique par Carlo
Rovelli
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-
- Voir
sa page spéciale
sur ses livres.
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- Bon ciel à tous
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- Jean Pierre Martin
Président de la commission de cosmologie de la SAF
- www.planetastronomy.com
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