19 – Singularités de l'extrêmement petit

L'image ci-dessus représente une, et une seule, particule élémentaire qui va franchir un obstacle comportant deux fentes.

Je vais vous raconter quelques-unes des bizarreries du monde de l'extrêmement petit. Ne cherchez pas à comprendre mais, comme au spectacle étonnez-vous. Sachez quand même que ces bizarreries sont à la base de toute la matière, roches, plantes, animaux dont nous-mêmes. Sachez encore que l'utilisation de ces bizarreries est à la base des instruments les plus étonnants et les plus performants de notre époque.

Je ne vous les expliquerai pas, même un petit peu, il faudrait que je vous donne des précisions plutôt complexes et qui resteraient insuffisantes. D'ailleurs Richard Feynman (1918 – 1988), l'un des plus grands physiciens de la seconde moitié du 20ème siècle, prix Nobel 1965, et un grand pédagogue, avait l'habitude de dire à la fin de son cours sur la mécanique quantique : "Si vous m'avez compris, c'est que je n'ai pas été clair !"

Richard Feynman

 

18 - Vers l'extrêmement petit

L'image ci-dessus représente les électrons qu'on voit se comporter comme des ondes. Image prise par un microscope à effet tunnel. © IBM Almaden Visualization Lab

Aujourd'hui nous allons commencer un voyage vers l'extrêmement petit. Je dis bien extrêmement et non pas infiniment petit. En effet l'infiniment petit n'existe pas. Il y a une limite au petit en-deçà de laquelle il est impossible d'aller.

Pour autant vous allez voir que cette limite là est vraiment extrême. J'aurais souvent l'occasion de vous parler de cette limite, alors autant vous la donner tout de suite : c'est la limite de Planck, du nom du grand physicien allemand qui l'a calculée.

Cependant avant de vous la donner un avertissement : nous allons pénétrer un territoire plus extra-ordinaire que celui d'Alice au pays des Merveilles. Dans le pays des Merveilles d'Alice, les objets sont étranges, voire ils parlent mais ce sont des objets que l'on voit et que l'on peut toucher. Dans le territoire où nous nous apprêtons à pénétrer, rien de cela. On ne voit pas les objets, on ne peut pas les saisir, et plutôt que des objets ce sont des concepts, des idées. Leur représentation est essentiellement mathématique. Et malgré cela les conséquences qui en découlent sont à la base des techniques, des outils et des objets les plus modernes que nous utilisons !

L'électron n'a pas de localisation précise. Il  apparait et disparait en permanence dans le vide, dans une espèce de vague intemporelle, à la fois un peu ici et un peu là.

 

17 – Explosion d'intelligence 2

L'image ci-dessus représente le spectre total de la lumière. Vous pouvez constater que la lumière qui est visible par nos yeux n'est qu'une toute petite partie de la lumière.

Vous lisez cette note confortablement installé(e), du moins je vous le souhaite. À côté de vous peut-être un feutre rouge, un crayon papier jaune ou vert ou bien un calepin bleu. Pourquoi, me direz-vous, cette liste d'objets colorés ? Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi nous voyons des couleurs et pas tout en blanc, puisque la lumière est blanche ? Qu'est-ce qui fait le rouge, le bleu ou bien une autre couleur ?

Depuis Maxwell on sait que la couleur correspond à la fréquence à laquelle la lumière est émise. Donc les substances n'émettent la lumière qu'à certaines fréquences. L'ensemble des fréquences qui caractérisent une substance s'appelle le "spectre" (non, ce n'est pas un fantôme !).

Un spectre est un ensemble de petites lignes colorées (voir l'image ci-dessous).

On connaissait les spectres de nombreuses substances, mais pourquoi telle substance avait-elle tel spectre et pas un autre ? Au début du 20ème siècle on ne le sait pas. Sans entrer dans les détails, sachez que c'est en rapport avec les atomes.

 

16 – Explosion d'intelligence 1

L'image ci-dessus représente les savants Maxwell, Thomson et Planck.

Avant de plonger vers le monde du tout petit, de l’extrêmement petit, je voudrais vous présenter quelques-unes des personnes qui ont fait la physique que nous utilisons aujourd'hui et grâce auxquelles nous comprenons le monde comme nous le comprenons et qui sont à l'origine de beaucoup d'outils que nous utilisons.

A la fin du 19ème siècle, toutes les sciences bougent. Les idées évoluent rapidement et les instruments également. De nombreux scientifiques mériteraient d'être cités. Le savant anglais Maxwell a unifié l'étude de l'électricité et du magnétisme en élaborant la théorie de l'électromagnétisme. L'électron a été découvert en 1897 par Thomson, mais beaucoup de scientifiques ne croient pas vraiment à l'existence de l'atome. Les physiciens savent que la lumière est une onde et beaucoup pensent que, comme toute onde, elle se déplace dans un milieu, l'éther. Par contre on sait que la vitesse de la lumière est la même quelle que soit sa direction. Le physicien allemand Max Planck introduit dans ses calculs l'idée que l'énergie est transmise par paquets, qu'on appellera des "quanta".

Beaucoup d'autres domaines évoluent également (mathématiques, chimie, médecine, radioactivité).

La toute fin du 19ème siècle et surtout le tout début du 20ème voient une véritable explosion d'intelligences supérieures.

 

15 - Quelques tentatives d'explications de l'Univers

L'image ci-dessus représente tout l'univers en une seule image. L'artiste Pablo Carlos Budassi s'est servi d'images de la NASA et de l'université de Princeton pour le représenter.

Nous avons vu la dernière fois qu'un certain nombre de questions se posent à propos de l'Univers. En particulier sa forme et sa finitude.

Nous avons vu également que la théorie de la relativité générale, qui explique très bien l'Univers à grande échelle, ne l'explique plus au niveau d'une singularité, c'est à dire lorsque la matière est microscopique et extrêmement dense, comme à l'intérieur d'un trou noir ou au moment du début de notre Univers, lors du Big-bang.

D'autre part le monde de l'infiniment petit est très bien expliqué par la mécanique quantique.

Malheureusement ces deux théories sont inconciliables. Il va donc falloir trouver une nouvelle théorie qui réunisse ces deux aspects de la réalité, l'infiniment grand et l'infiniment petit.

Échelle des grandeurs - quelques tailles de l'infiniment petit à l'infiniment grand