energie et matière
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Energie et matière. m. E = mc 2. c 2. E. =. Yves Schutz, SUBATECH (Nantes) & CERN (Gen è ve). - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Energie et matière
Yves Schutz, SUBATECH (Nantes) & CERN (Genève)
E = mcE = mc22EE mm== cc22
Les concepts de la physique contemporaine n’ayant, en général, que peu de rapport avec le bon sens commun et s’appuyant sur un langage mathématique ésotérique, les physiciens sont
souvent vus par le grand public comme des initiés d’une secte occulte qui éprouvent les plus grandes
difficultés à faire part de leurs travaux à leurs contemporains.
La physique s’explique simplement et juste avec les mains ...
Masse
La masse est une propriété fondamentale de la matière: elle mesure l’inertie
Liège
Plomb
Le poids représente la force exercée par l’attraction gravitationnelle de la terre sur la matière (F = m g)
Un astronaute conserve la même masse sur la lune que sur la terre, mais son poids change : la masse est invariante…
m = m0 γ
À 100 km/h γ = 1,000000000000004
Ou presque … la relativité :
Énergies
L’énergie prend des formes multiples
Mécanique
Electrique
ChimiqueThermique
CinétiquePotentielle
L’énergie se manifeste à nous lorsqu’elle se transforme d’un type en un autre: l’énergie se conserve
Énergie potentielle Énergie cinétique
Une quantité phénoménale d’énergie est emprisonnée dans la matière et dans le vide …
T. Young41773-1829
Energie et matière
E = mcE = mc22
De quoi est fait la matière ?Quelles forces assurent sa cohésionQuelle est son origine ?
10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
L’infiniment grand et l’infiniment petit
• Une notation raccourcie pour exprimer des valeurs très grandes ou très petites sans aligner les zéros :– La masse de l’atome : 0,00000000000000000000000000166 kg – La masse de la terre : 5977000000000000000000000 kg
1,66 x 10 - 27 kg
5,977 x 10 24 kg
10+ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
1
0
10+ 0 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
10
1
10+ 0 1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
100
2
10+ 0 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
1000
Kilo(K)3
10+ 0 1 2 3 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
10000
4
10+ 0 1 2 3 4 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
100000
5
10+ 0 1 2 3 4 5 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
1000000
Mega(M)6
10+ 0 1 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
10000000
7
10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
100000000
8
10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
1000000000
Giga(G)9
10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
10000000000
10
10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
100000000000
11
10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
1000000000000
Tera(T)12
10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
10000000000000
13
10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
100000000000000
14
10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 21 22 23 24 25 26
10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
100000000000000000000
20
10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 22 23 24 25 26
10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
1000000000000000000000
21
10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 23 24 25 26
10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
10000000000000000000000
22
10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 24 25 26
10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
100000000000000000000000
23
10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
100000000000000000000000000
26
10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
10- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150
1
10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
10- 0 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
0,1
1
10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
10- 0 1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
0,01
2
10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
10- 0 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
0,001
Milli(m)3
10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
10- 0 1 2 3 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
0,0001
4
10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
10- 0 1 2 3 4 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
0,00001
5
10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
10- 0 1 2 3 4 5 7 8 9 10 11 12 13 14 15
0,000001
Micro()6
10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
10- 0 1 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13 14 15
0,0000001
7
10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
10- 0 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15
0,00000001
8
10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11 12 13 14 15
0,0000000001
10
10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 15
0,00000000000001
14
10+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
10- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
0,000000000000001
Femto(f)15
De quoi est fait la matière ?
Toute matière est constituée à partir de 4 éléments fondamentaux.
Empedocle450 av. JC
Amour et Haine sont les 2 forces qui unissent et désunissent les 4 éléments.
Air
Eau
Terre
Feu
Democrite400 av. JC
Première conception atomiste du monde physique
"... la nature des choses perceptibles consiste en petites particules infinies en nombre ... les particules étant si petites qu'elles nous sont invisibles, et elles se présentent sous une infinité de formes et de tailles. C'est à partir de leur combinaison et de celle des éléments que naissent les corps visibles et perceptibles ..."
Eau Fer
J. Dalton1803
La nouvelle conception atomiste du monde physique
Les atomes des différents éléments varient en taille et en
masse. A chaque élément correspond un type d’atome
propre.
D. Mendeleev1869
La classification des éléments
Les éléments sont classés par ordre croissant de leur masse atomique en allant à la ligne de telle sorte
que les atomes ayant des propriétés semblables se trouvent l'un en dessous de l'autre, formant ainsi
une famille.
J.J.Thomson 1897
Électrons chargés négativement
Matière chargée positivement
Découverte de l’ électron. L’atome est électriquement neutre.
Électrons chargés négativement
Noyau chargé positivement
Mnoyau = 2000 Mélectron
Angström = 10-10 m 10 Fermi = 10-14 m
Un noyau de la taille d’une tête d’épingle verrait ses électrons à 10 m, et la même tête d’épingle de matière
nucléaire pèserait autant que 23 fois la Tour Eiffel
E. Rutherford1911
Le modèle planétaire
N. Bohr1913
L’atome devient quantique
Noyau chargé positivement
Orbites quantifiées des électrons
J. Chadwick1932
La découverte du neutron
+proton
neutron
Les masses du proton et du neutron sont identiques : 1,610-27 kg
La densité du noyau est de 230 000 tonnes par mm3 ou …71016 Joules par mm3 (consommation journalière en
France)
M. Gell-Mann1961
Les quarks : composants ultimes de la matière
Deux types de quarks (u & d) avec 3 couleurs différentes
10-8 mADN
10-10 mAtome
10-14 mNoyau
10-15 mQuark
La structure de la matière
La matière n’est que du vide (99.999999999999%): Si n,p avaient la taille d’une bille, les e, q seraient plus fins qu’un cheveu et la taille de l’atome serait celle de 30 terrains de football.
Les particules élémentaires
Toute la matière présente dans l’univers aujourd’hui est constituée à partir de 4 particules élémentaires.
Le Big Bang en a créé beaucoup plus qui n’ont vécu que l’espace d’un instant:
Ces éphémères particules sont recréées par les physiciens à l’aide des accélérateurs de particules.
Quelles forces assurent la cohésion de la matière?
4 interactions
graviton photon W, Z gluon
Les interactions
Toutes les forces de la nature dérivent de quatre interactions fondamentales.
A chaque interaction est associé un type de particule ( particules de matière).
Gravitation-nelle
Électroma-gnétique Faible Forte
I. Newton1687
110-510-310-38
P. Dirac1928
L‘anti-matière
Pour toute particule existe une anti-particule identique à la particule mais ayant une charge opposée.
électron (e-) et positon (e+)
(i γμδμ-m) ψ=0
Le Modèle Standard
• La théorie des briques de l’univers et des forces qui les gouvernent:
12 constituants élémentaires
4 interactions
graviton photon W, Z gluon
Le vide n’est pas le néant !
W. Heisenberg1927
ΔEΔt = ħ
Monde physique
Monde virtuel
A. Einstein1905
L’équivalence masse - énergie
E=mc2
Énergie (Joules)
Masse (kilo gramme)
Vitesse de la lumière (mètres par seconde)
3108 m/s
Une personne de 60 kg se déplaçant à 5 km/h : Etotale = Ecinétique + mc2
6 Joules 51018 Joules
L’énergie tapie au coeur de l’atome …
… libérée par réaction de fusion (p+p->D+e++ν)
L’énergie de 1 tonne d’hydrogène équivaut à celle obtenue à partir de 1 million de tonnes de
charbon
P
p
np
n
np n
Mp+Mn
pn
> MD
D
+ énergie
Annihilation - matérialisation
Matière et anti-matière s’annihilent en libérant de l’énergie : e++e- -> γγ (Tomographie par émission de positrons)
Matière et anti-matière sont créées par paires à partir d’énergie : γ-> e+
+e- (création de nouvelles particules dans les accélérateurs)
Quelle est l’origine de la matière ?
Toute la matière présente dans notre univers a été créée au moment du
Big Bang …
… à partir du vide
1032°
10-43s
Au commencement, l’Univers était parfaitement symétrique :
Les 4 interactions avaient exactement la même force ;Toutes les particules élémentaires avaient une masse strictement nulle ; L’espace-temps était identique dans toutes les directions.
L’Univers, en se dilatant, refroidit …
… la symétrie est brisée une première fois : la gravitation et la force électronucléaire se scindent pour donner naissance à l’espace-
temps et à la matière.
Les interactions forte et électrofaible se scindent en libérant une quantité
phénoménale d’énergie(1095 Joules/m3) …
L’inflation dilate l’Univers de la taille d’un proton à celle d’une orange.
Les particules de matière et le désordre sont créés à partir du vide.
L’unification des forces
J.C. Maxwell1860
1027 °
Particules de matière et anti-matière
Quarks u & d Electron/neutrino
Particules messagères des interactions
Gluons Photon
Annihilation de la matièreCréation de matière
10-32s
Victoire de la matière sur l’anti-matière …
Pour chaque 10.000.000.000 particules d’anti-matière sont créées 10.000.000.001 particules de matière. Toute la matière de l’Univers est
créée à ce moment.
1
10-6s
Particules de matière
Neutron & Proton Electron/neutrino
Particule messagère de l’interaction EM
Photon
Mésons
Formation des neutrons et protons
1013 °
3mn
108 °Fusion nucléaire
He
n
p
n
p
n
p
DD
p
n
Particules de matière
Noyaux Hydrogène, Deuterium, Helium
Electron/neutrino
Particule messagère de l’interaction EM
Photons
p D He75% 25%
Particules de matière
Atome neutrino
Particule messagère de l’interaction EM
Photons
300.000 ans
104 °Formation des atomes
Fuit Lux
Création et annihilation Baryongenèse
Formation des noyaux
Baryongenèse
Formation des atomes
Répartition de l'énergie dans l'Univers
73%
23% 4%
atomes
matière sombre
énergie sombre
Les jeux sont faits
La gravitation et l’énergie sombre mènent la danse
109 ans
3 °K
109 ans
3 °K
109 ans
3 °K
109 ans
3 °K
109 ans
3 °K
109 ans
3 °K
10109 ans
3 °K
14,99109 ans
3 °K
Vérification expérimentale ?
La théorie fait les derniers pas, les plus difficiles, jusqu’à l’instant zéro de l’Univers … et avant !
Puisqu’il est certainement impossible de recréer un Univers, la validité des théories proposées ne pourra être vérifiée que par leur capacité à prédire l’évolution de l’Univers.
Les développements techniques permettent cependant aujourd’hui de recréer en laboratoire les conditions qui règnaient tout juste 1 μs (0,000001 s) après la naissance de l’Univers.
Les questions ouvertes
• Comment les particules ont-elles acquis leur masse ? mγ=0, mt = 340.000 me !
• Où est passée l’anti-matière ?• Quelle est la nature du vide ? De la
matière sombre ? De l’énergie sombre ?• Quelle est la forme originelle de la
matière ?• Pourquoi l’univers stable est-il incolore ?
ALICE
• Le club de ceux qui fracassent des noyaux atomiques les uns sur les autres …– Pourquoi ? Tenter de dissoudre le vide pour former une
soupe de quarks et de gluons et ainsi remonter le temps– Comment ? Chauffer et comprimer la matière– Observer un phénomène qui
• dure dans une seconde autant qu’un éclair dans les 15 milliards d’années écoulées depuis la naissance de l’univers,
• crée une température égale à 100.000 fois celle régnant au cœur du soleil (15M °) et
• compacte la matière de façon telle que la pyramide de Kheops tiendrait dans une tête d’épingle.
Recréer la “couleur”
Des physiciens découvrent la « soupe primordiale » de l’Univers…
On a fait péter des noyaux de quarks et de
gluons
Ta soupe va
refroidir
Le Progrès 11/02/200
Remontons le temps
• En chauffant le vide et créant ainsi dans un volume étendu une densité d’énergie suffisante
• Les collisions entre ions lourds accélérés à la vitesse de la lumière fournissent les « calories » nécessaires
Compression Chaleur Plasma de quarks et gluons
2. L’énergie de la collision se matérialise sous forme de quarks et gluons
1. Les noyaux accélérés vont subir une collision frontale
Le mini Big Bang
3. Les quarks et gluons interagissent sous l’effet de l’interaction forte: la matière tend vers l’équilibre
4. Le système de dilue et se refroidit
5. Quarks et gluons condensent pour former des hadrons
Mini Big Bang : le film
Accélérer des noyaux
• Les noyaux (atomes débarrassés de leur cortège d’électrons) sont accélérés par un champ électrique
• La trajectoire des noyaux est courbée par des aimants dipolaires
• Le flux des noyaux est focalisé par des aimants quadrupolaires
LHC: champion du monde• 27 km de circonférence• 40 m sous terre• Cryogénie à 1.9 K
×10
12• Accélère p @ 7×1012 eV et ions @ 2,76×1012 eV (99,999993% c)• Une collision libère jusqu’à 0,2×10-3 Joules, T=1,000×109 K • ~108 ions croisent 108 ions 106 fois par seconde• Seulement 8.000 collisions chaque seconde, dont 1% produisent des
événements « extraordinaires »
Observer le phénomène– Imaginons une planète gelée où l’eau n’existe qu’à l’état de
glace ; – La glace n’est présente que sous forme quantifiée : les glaçons
; – Des théoriciens soutiennent que la glace peut exister, dans
certaines conditions de température, sous forme liquide ;– La seule façon de chauffer la glace est d’écraser les glaçons les
uns contre les autres ; – Les expérimentateurs fabriquent donc deux gros paquets de
glaçons contenant chacun 100 millions de glaçons ; – Ils frappent ces paquets l’un contre l’autre 1 million de fois par
seconde ; – Ils arrivent ainsi à réaliser chaque seconde 8.000 collisions
glaçon-glaçon ;– L’observateur qui est chargé de raconter ce qui se passe est
installé sur autre planète éloignée autant que Mars l’est de la Terre …
En divisant les dimensions par un facteur 1013, nous devenons l’observateur du LHC.
Imaginons
Poids 10,000 tDiamètre 16 mLongueur 25 mChamp magnétique 0.4 Tesla
10 000