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- mise à jour le 10 Décembre 2006
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- CONFÉRENCE SUR :
- "LES CONSTANTES
FONDAMENTALES".
- Par Roland LEHOUCQ
Astrophysicien à l'OCA
- Dans le cadre des RCE
2006
- Organisée par l'AFA à la Cité
des Sciences de Paris
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- Le Samedi 11 Novembre 2006
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- Photos : JPM pour l'ambiance. Les photos en
haute définition sont disponibles sur simple
demande pour ceux qui le souhaitent, de même toutes les photos de cette
soirée ne sont pas dans cet article, car j'en ai fait plus de 400, ceux qui
sont intéressés par un sujet précis peuvent me contacter, je les leur
ferai parvenir par mail.
- Les photos des slides sont du conférencier.
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- REMARQUE : Les comptes rendus des conférences
sont mis en ligne au fur et à mesure Vous vous en apercevrez en allant voir
la page
du compte rendu général de temps en temps à l'index "conférences",
je signalerai les mises en ligne dans la fenêtre des mises à jour du site
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- BREF COMPTE RENDU
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- Roland Lehoucq est astrophysicien et sa spécialité
est la topologie cosmique, mais c'est aussi un grand Tintinologue devant l'éternel,
car il a écrit avec son compère Robert Mochkovitch de l'IAP "Mais
où est donc le Temple du Soleil" chez Flammarion, passionnant et
pas uniquement pour les enfants.
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- Mais ce soir Roland nous parle d'un sujet plus
sérieux, thème transversal à toutes les sciences physiques :les
constantes fondamentales.
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- Mais qu'est ce donc qu'une constante physique?
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- C'est une grandeur particulière dont la valeur
est fixe et qui joue un rôle central dans des théories physiques.
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- C'est en fait tout paramètre non déterminé
par la théorie que l'on utilise et qui doit être mesuré.
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- La première question qui se pose donc :
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- LA
LISTE DES CONSTANTES.
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- La liste reflète plutôt notre ignorance que
notre connaissance; elle dépend de qui la composée et à quelle époque.
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- Étudier les constantes d’une théorie
revient à explorer les limites de la théorie où elles apparaissent et
tenter d’expliquer leur valeur par une théorie plus large.
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- La
relativité générale (RG) et le modèle standard nécessite : 21
constantes!
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Masses des particules à
12 dont
- o
6 quarks
(up-down, top-bottom, strange-charm)
- o
3 leptons massifs (électron, mu, tau)
- o
les bosons W± et Z0 (interaction faible)
- o
le boson de Higgs (brisure de symétrie électrofaible)
- ·
Interaction W-quark à
4
- ·
Constantes de couplage à
2
- o
Électromagnétisme
- o
interaction nucléaire forte
- ·
Gravitation à
1
- ·
c et h à
2
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- mais on pourrait aussi compter :
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- ·
Masse des neutrinos à
3
- ·
Interaction neutrinos Higgs à
4
- ·
Constante cosmologique à
1
- ·
Matière noire à
n???
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- Le statut des constantes :
- Il évolue au cours du temps, comme on le
remarque pour la vitesse de la lumière.
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- Elle fut déterminée d'abord par
Römer à l'observatoire de Paris pour la première fois en 1676! Il
trouve 225.000 km/s un nombre extraordinairement bon en ordre de grandeur
pour l'époque.
- Puis par Bradley (308.000) et Foucault
(299.000).
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- Puis Maxwell établit sa théorie des ondes électromagnétiques,
la vitesse de la lumière devient la vitesse de tous les phénomènes électromagnétiques.
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- C'est Einstein qui en 1905 établit le lien
entre l'espace et le temps et change le statut de c, qui devient une limite
absolue.
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- c devient la vitesse de propagation de
l'information causale.
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- Dernière étape, le BIPM (Bureau
International des Poids et Mesures) en 1983, on ne mesure plus en mètre;
mais on définit le mètre en fonction de c et du temps (un certain nombre
de fréquences d'oscillations etc..)
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- LA
MÉTROLOGIE ET LES UNITÉS.
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- Métrologie
: c'est la science de la mesure. (grec : metros)
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- Mesure physique : Détermination du rapport
entre deux quantités de même nature dont l’une est supposée invariante
(étalon).
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- Valeur d’une quantité physique : Un nombre
sans dimension ET un produit d’unités associées à des étalons.
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- Dimension
: La caractéristique physique liée à chacun des étalons (M, L, T, …)
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- La notion de dimension est fondamentale et
permet de vérifier l'homogénéité d'une formule.
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- Il existe aussi des grandeurs sans dimensions :
le nombre Pi par exemple ou e etc…
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- •Les physiciens n’ont pas toujours procédé
ainsi.
- • La valeur d’une constante dimensionnée dépend
des unités choisies.
- • Les relations entre quantités physiques ne
dépendent pas des unités
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- LA
DIFFUSION DES CONSTANTES : UN EXEMPLE LA PLAQUE DE PIONEER 10.
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- Dans les années 1970; les sondes américaines Pioneer
10 et 11 se sont intéressées aux planètes extérieures Jupiter et
Saturne, elles n'étaient pas élaborées comme les suivantes Voyager ou
Cassini, mais elles emportaient avec elle, un message pour les éventuelles civilisations qu'elle pourrait
rencontrer dans quelques milliers ou millions d'années : un plaque
dorée supposée nous décrire.
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- Les scientifiques (notamment le célèbre Carl
Sagan) se sont creusés la tête pour
essayer d'en dire un maximum sur nous (est ce bien sage d'abord d'après
ce que l'on sait des premiers conquistadors des terres nouvelles, comme dit
W Allen, je ne veux peut être pas être découvert!! Mais c'est un autre
problème).
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- Voici une reproduction de cette plaque (gravure
réalisée par la femme de C Sagan).
- Examinons la.
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On
remarque d'abord une reproduction de deux êtres humains (la femme étant
incomplète, ce qui avait déjà fait scandale à l'époque!!) en proportion
par rapport à la sonde stylisée.
- En haut à gauche, cela est censé représenter
la
transition hyperfine de l'atome d'Hydrogène (autrement dit la raie de
21cm qui baigne l'Univers et que toute civilisation intelligente doit être
capable de détecter); le trait entre les deux étant supposé être une
unité de distance (égale à 21 cm). Et le petit trait vertical change de
sens entre les deux figures représentant la transition de l'électron.
- Cette unité est utilisée à l'extrême droite
près de la hanche de la femme, et représente le chiffre 8 en binaire
(1000) correspondant à la taille de la sonde (8 unités de 21cm).
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- (il faut pour voir tous ces détails cliquer
sur l'image pour plus de définition)
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- Plus élaboré est ce qui décrit notre
position par rapport à 14 pulsars , la grande étoile à gauche. Les
symboles correspondant à des chiffres (en binaire) sont proportionnels à
la fréquence de ces pulsars. La longueur des lignes étant elles
proportionnelles aux distances de ces pulsars. Ces données permettraient de
nous localiser par triangulation. La 15ème ligne horizontale,
elle, correspond à notre position par rapport au entre de notre galaxie.
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- Dans le bas de la plaque, on reconnaît notre
système solaire et d'où la sonde est partie : de la troisième planète.
- De plus on donne aussi une proportion du système
solaire en unités basées sur le 1/10 de l'orbite de Mercure. (Mercure est
bien marquée en binaire par 1010 c'est à dire 8+2 = 10 unités etc..).
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- Bref c'est un beau casse tête pas très évident
que vous pouvez poser à vos amis un soir où vous ne savez pas quoi faire!
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- Revenons à nos constantes.
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- COMBIEN
D'UNITÉS FONDAMENTALES?
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- Les premières unités étaient basées sur
l'Homme et de son environnement , comme le "pied", la "coudée"
, le "stade" etc..
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- Extrait d'une de mes anciennes présentations
sur le mètre :
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- Chaque ville avait “sa” référence de
mesure, différente de celle de la ville voisine. Rien qu’en France il
existait plus de 2000 unités de mesure différentes en cette fin de XVIIIème
siècle.
- Pour se rendre compte de cela jetons un œil à
ce qui existe en France assez représentatif de tous les pays :
- Il y a 2000 mesures différentes en cette fin
de siècle dont : la lieue de Picardie (4444m), la lieue de Touraine
(3933), la lieue de Brest (4181) etc.. la toise du Châtelet, la toise du Pérou,
la ligne, la logne, le mille, la perche, la palme, le doigt, le trait, la
brasse, le pied horaire, le pied national, l'aune de Laval, la canne de
Toulouse, la verge de Norai, etc…j'arrête là l'énumération car je
pense que vous avez compris le problème.
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- La
notion d'Égalité de la Révolution a tout de suite imposé une unité qui
aurait une seule valeur valable tout le temps et dans tout le pays.
Il fallait donc une unification des unités en vigueur et si possible définir
une unité qui soit NATURELLE et INVARIABLE.
- Les plus grands savants de l'époque (Cassini,
Lagrange, Condorcet, Lavoisier,….) se réunirent et discutèrent de la
meilleure méthode et il devint rapidement évident que l'unité nouvelle à
définir devait être universelle et donc indépendante du pays inventeur.
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- Un tel système ne devait appartenir à
personne, et ne devait pas dépendre ni des hommes ni des évènements, bref
être UNIVERSEL ET ÉTERNEL.
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- Révolution à
égalité à
unité valable dans tout le pays si possible : naturelle, invariable,
universelle, éternelle
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- Quoi de plus universel que la Terre
Il fut donc décidé par décret en 1791 que la nouvelle unité
serait
- LA
DIX MILLIONIÈME PARTIE DU QUART DU MÉRIDIEN TERRESTRE
- En effet; tout le monde et tout pays possède
une partie de méridien.
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- Pourquoi le quart, car on pensait à l'époque
que 90° était un angle "magique".(Ce n'est donc pas un hasard si
la circonférence terrestre est de 40.000.000m).
- Ceci étant il fallait mesurer ce quart de méridien
et définir d’où partir. En principe il suffit de mesurer une toute
petite partie de ce méridien et si possible en son milieu (vers le 45°).
- En regardant les cartes de l'époque, seule la
France présentait un arc de méridien relativement grand et avec terrain
relativement plat facilitant les mesures (triangulations) et climat tempéré.
- Il fut donc décidé en 1795, par décret, de
mesurer sur le terrain un arc de méridien autour du méridien de Paris de
Dunkerque à Barcelone (soit à peu près 8°).
- Les astronomes Delambre et Méchain y consacrèrent
une partie de leur vie, ils devaient partir chacun d'une extrémité et se
rejoindre vers Rodez.
- Cela c'est une autre histoire……
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- Cette unité fut baptisé d'un nom universel :
mètre qui vient à la fois de metros en grec et metrum (latin).
- Mais ce fut plus que cela : un concept complet:
LE SYSTÈME MÉTRIQUE DÉCIMAL,
cela ne concernait pas que les mesures de longueur mais aussi les mesures de
poids (kilo).
- Ces unités ne dépendaient pas d’un pays,
elles furent donc acceptées progressivement par tout le monde
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- Il y aurait trois constantes fondamentales basées
sur trois dimensions fondamentales (MLT) :
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- c G h les
autres s'en déduisant
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- Ce sont des synthétiseurs de concept comme le
dit R Lehoucq.
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- Ces constantes ont créés des liens entre des
concepts auparavant pensés comme séparés.
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- c (vitesse
de la lumière) définit l'espace temps
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- G (constante
de gravitation) est un lien entre l'espace-temps et la matière
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- h (constante
de Planck) fait le lien entre onde et particule (fonction d'onde).
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- À ce moment R Lehoucq nous passe une vue intéressante
: le cube des théories.
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- Les trois axes représentent les axes des trois
constantes ou liés aux trois constantes : 1/c; h et G.
- Leurs combinaisons conduit aux théories
actuelles.
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- Si on ne tient compte de rien du tout : c'est
le point origine : la Mécanique purement Newtonienne.
- En se déplaçant dans chaque plan, on passe
d'une théorie à une autre :
- Exemples : sur l'axe des 1/c on a la relativité
restreinte, sur l'axe des h la Mécanique Quantique (MQ) , dans le plan 1/c
et h : la théorie quantique des champs.
- L'axe vertical G correspond à la gravitation
newtonienne, tandis que le plan 1/c et G c'est la RG.
- De même le plan G et h correspond à la
gravitation quantique newtonienne.
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- Et alors en 3 dimensions maintenant, c'est la
théorie du tout.
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- On n'avait jamais vu les choses comme cela!
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- D'AUTRES
POSSIBILITÉS.
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- La théorie des cordes :
On
remarque d'abord une reproduction de deux êtres humains (la femme étant
incomplète, ce qui avait déjà fait scandale à l'époque!!) en proportion
par rapport à la sonde stylisée.
, régit
la force électromagnétique qui assure la cohérence
des atomes et des molécules. Elle fut proposée en 1916 par le physicien Arnold
Sommerfeld.
ou proche de 1/137.
est la
charge électrique élémentaire,
est
la constante de Planck réduite,
est la vitesse de la lumière dans le vide, et
la permittivité
du vide.