Physique Moderne

Concepts de la physique moderne

La physique moderne tente de comprendre l'interaction de la matière aux échelles les plus extrêmes, où l'on a découvert que le monde se comporte très différemment de ce qui avait été prédit par la physique classique et de ce dont on est témoin dans la vie de tous les jours.

Le terme "moderne" n'est pas utilisé dans ce cas au sens normal du terme, car de nombreux sujets actuels de la physique classique seraient alors également considérés comme de la physique moderne. Le terme "moderne" fait en fait référence à la physique qui inclut des parties de la mécanique quantique ou de la relativité, qui sont des théories qui ont vu le jour au début du^20e siècle. Elles ont été utilisées pour expliquer des résultats expérimentaux que la physique classique ne pouvait pas expliquer. Ces théories ont donné lieu à de nombreuses prédictions contre-intuitives et apparemment ridicules, qui ont cependant été lentement prouvées encore et encore au fur et à mesure que la technologie progressait. Elles ont complètement révolutionné la science et rendu absurde la déclaration de Michelson.

Exemples de physique moderne

Les domaines notables de la physique moderne comprennent la relativité restreinte, la relativité générale et la mécanique quantique. Ce sont les trois principales théories qui ont suscité tant de travaux scientifiques dans de nombreux domaines différents tout au long du^20e siècle.

La relativité restreinte

La relativité restreinte est une théorie attribuée principalement à Albert Einstein, qui a publié ses idées en 1905, bien que le physicien Hendrik Lorentz et Henri Poincaré aient également réalisé d'importants travaux sur le sujet peu de temps avant lui.

La relativité restreinte traite des situations dans lesquelles les objets se déplacent à des vitesses extrêmement élevées, que l'on ne connaît pas dans la vie courante. Lorsque ces vitesses sont proches de la vitesse de la lumière, les équations de la mécanique classique ne sont plus valables et il faut en utiliser de nouvelles. À des vitesses élevées, les phénomènes appelés dilatation du temps et contraction de la longueur deviennent significatifs. Lorsque la vitesse d'un objet augmente, le temps nécessaire pour qu'il se déplace sur une certaine distance augmente pour un observateur extérieur. En revanche, un objet se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière deviendra plus court dans la direction du mouvement - sa longueur sera contractée. .Figure 1 : Une image montrant comment la longueur d'un objet diminue du point de vue d'un observateur externe lorsque sa vitesse se rapproche de celle de la lumière.

Relativité générale

La relativité générale est une extension de la théorie spéciale d'Einstein qu'il a présentée à la communauté des physiciens en 1915. La relativité restreinte s'applique aux objets se déplaçant à vitesse constante. Après avoir terminé cette théorie, Einstein a travaillé furieusement pour l'étendre aux incidents avec accélération, c'est pourquoi elle est appelée "générale" car elle s'applique à toutes les situations. Cela nécessitait une théorie beaucoup plus avancée et approfondie.

À l'époque, l'orbite de la planète Mercure autour du soleil posait un problème bien connu. On avait observé que le périhélie (le point de l'orbite le plus proche du soleil) se déplaçait à chaque orbite, et ce déplacement n'était pas correctement prédit par l'utilisation de la loi de la gravitation de Newton. Certaines suggestions ont été faites pour expliquer cet écart par rapport à la loi, comme une autre planète encore plus proche du soleil, mais aucune d'entre elles n'a permis de résoudre le problème.

À la grande surprise des physiciens du monde entier, Einstein a trouvé les bons résultats en montrant que la loi de Newton n'était qu'une approximation et qu'il fallait tenir compte des effets de la relativité générale sur le soleil pour obtenir le décalage réel du périhélie.

Figure 2 : Diagramme montrant comment le périhélie de Mercure se déplace d'une petite quantité à chaque siècle.

Einstein a travaillé sur la relativité générale en grande partie seul, et il était très en avance sur son temps. La théorie n'a pas été beaucoup utilisée pour des travaux scientifiques jusqu'à ce qu'elle entre dans le courant dominant de la physique au début des années 1960, lorsqu'elle a été utilisée pour arriver à certains des concepts qui sont encore aujourd'hui des sujets de débat actifs dans la communauté des physiciens, tels que les trous noirs et les singularités. Ces idées ont été considérées comme folles à l'époque, mais elles résultaient simplement du fait que les idées et les mathématiques de la relativité générale étaient allées jusqu'au bout de leur logique.

La mécanique quantique

La physique quantique est l'étude de la matière à l'échelle la plus petite, celle de l'atome et du subatomique. La mécanique quantique est la mathématique qui décrit le mouvement et l'interaction des particules à cette échelle. Cette théorie était extrêmement révolutionnaire lorsqu'elle a été introduite pour la première fois, car elle semblait aller complètement à l'encontre des idées de la physique classique et, parfois, même de la logique.

Au fur et à mesure de son développement, on s'est rendu compte que la théorie conduisait à des phénomènes très contre-intuitifs, tels que la formation de tunnels (où les particules peuvent sauter à travers une barrière) et l'idée que les particules peuvent se trouver à deux endroits à la fois. Ces phénomènes semblaient contredire complètement tout ce que nous voyons dans la vie normale, mais ils proviennent simplement des mathématiques de la mécanique quantique et ont été prouvés par la suite.

Max Planck est connu comme le père de la mécanique quantique. Il a réalisé de nombreux travaux en thermodynamique au début du^20e siècle. À cette époque, il y avait un problème en thermodynamique appelé "catastrophe ultraviolette", qui décrivait comment la physique classique prédisait que les corps noirs émettraient une quantité infinie de radiations à des longueurs d'onde plus courtes (vers la gamme des ultraviolets), ce qui ne s'est pas produit.

Planck s'est rendu compte que si l'énergie ne se présentait qu'en quantités discrètes, en unités d'une certaine constante h (que l'on appelle aujourd'hui la constante de Planck), il pouvait résoudre les problèmes et ses équations fonctionnaient. Il était très réticent à pousser plus loin son hypothèse et ne croyait pas vraiment que l'énergie était quantifiée, mais simplement que c'était une astuce mathématique qui fonctionnait dans ce cas.

C'est encore Einstein qui a pris les idées de Planck au sérieux. Il a expliqué l'effet photoélectrique (l'émission d'électrons par un métal lorsqu'il est éclairé) en utilisant la constante de Planck et en suggérant que l'énergie était discrète. Bien que ses idées aient d'abord été accueillies avec scepticisme, de plus en plus de physiciens se sont rendu compte que la mécanique quantique décrivait la véritable nature de la matière, et d'énormes quantités de travaux ont été consacrées à ce sujet au cours de la première moitié du siècle. En fin de compte, elle allait complètement révolutionner la physique.

Types de physique moderne

La physique moderne peut être classée en deux grandes catégories :

• Laphysique théorique: Les physiciens théoriciens passent leur temps à analyser les données expérimentales et les observations et à formuler des modèles mathématiques cohérents qui expliquent les données et les observations. L'objectif de la physique théorique est de fournir des cadres complets que nous pouvons utiliser pour comprendre le monde qui nous entoure.
• Physique expérimentale : Les physiciens expérimentateurs passent leur temps à concevoir et à réaliser des expériences, puis à collecter et à analyser les résultats. La physique expérimentale est une composante essentielle de la méthode scientifique, car la science s'appuie sur l'observation et les données expérimentales pour tirer des conclusions sur le monde.

Applications de la physique moderne

Les applications de la physique moderne se retrouvent dans de nombreux domaines de la recherche scientifique et de la vie quotidienne. Un exemple d'application de la relativité et un autre de la mécanique quantique sont expliqués ci-dessous.

Trous noirs

Les effets de la relativité générale ne sont perceptibles qu'à grande échelle, lorsque les masses sont énormes et que les champs gravitationnels ont une force incroyable. L'une de ces situations est la collision de deux trous noirs. Une grande partie de ce que nous savons sur l'univers provient de l'étude des ondes électromagnétiques qui atteignent la Terre. Cependant, en théorie, la relativité générale suggère une autre façon d'étudier l'univers : les ondes gravitationnelles.

Les ondes gravitationnelles sont des ondulations qui se déplacent dans l'espace-temps, le tissu qui imprègne tout l'espace. Elles sont normalement extrêmement petites et impossibles à détecter sur Terre, mais lorsqu'il se produit un événement cataclysmique dans l'univers, comme la collision de deux trous noirs, les ondes gravitationnelles peuvent être envoyées vers nous, et un équipement extrêmement sensible peut être utilisé pour les détecter.

Il existe une expérience à grande échelle appelée LIGO (laser interferometer gravitational-wave observatory) qui détecte les ondes gravitationnelles à l'aide d'un interféromètre. Il s'agit d'un équipement spécial qui peut détecter les distorsions de l'espace-temps. Les masses des trous noirs et le lieu de la collision peuvent être trouvés à partir des relevés expérimentaux.

Figure 3 : L'interféromètre LIGO utilisé pour mesurer les ondes gravitationnelles. Les bras ont une longueur de 4 km. Crédit photo : Laboratoire LIGO

Les supraconducteurs

Un supraconducteur est un matériau qui ne présente aucune résistance à basse température, ce qui signifie qu'il peut être traversé par un courant extrêmement élevé. Le phénomène de la supraconductivité peut être compris grâce à la mécanique quantique. Les porteurs de charge s'associent en ce qu'on appelle des "paires de Cooper".

Ces paires formées sont des bosons, qui peuvent tous tomber dans le même état quantique. Cela signifie qu'elles se déplacent toutes autour du matériau comme une onde cohérente et qu'elles traversent les irrégularités sans construction. Les supraconducteurs ont de nombreuses utilisations. Par exemple, ils peuvent créer de très grands champs magnétiques, qui sont nécessaires dans des applications telles que les accélérateurs de particules et les scanners IRM (imagerie par résonance magnétique).

Figure 4 : L'anneau principal et l'injecteur principal du Fermilab vus du dessus.

Importance de la physique moderne

La physique moderne nous aide à comprendre la véritable nature de l'univers. Elle nous permet de sonder les extrêmes : des bords des trous noirs jusqu'au fonctionnement interne des noyaux. La physique moderne a permis de nombreuses avancées technologiques, en plus des exemples mentionnés ci-dessus. Mais ces affirmations ne suffisent pas à mettre en évidence l'importance de la physique moderne.

Pour se rendre compte de l'importance de la physique moderne, il ne faut pas oublier de mentionner que la mécanique quantique est à la base de nombreux composants électriques tels que les diodes et les transistors. D'autre part, la relativité doit être prise en compte pour les mesures par satellite, car les satellites se déplacent par rapport à la Terre. En outre, les différentes branches de la physique moderne contiennent souvent les principes sous-jacents à d'autres sujets. Par exemple, la chimie des atomes peut être comprise grâce aux mathématiques de la mécanique quantique.