Ceci a été adapté de QUANTA et FIELDS : les plus grandes idées de l’univers par Sean Carroll avec la permission de Dutton, une marque de Penguin Publishing Group, une division de Penguin Random House LLC. © 2024 par Sean Carroll
À la fin du XIXe siècle, on aurait pardonné aux physiciens d’espérer être en bonne voie de tout comprendre. L’univers, selon cette image provisoire, était constitué de particules poussées par des champs.
L’idée de champs remplissant l’espace s’est répandue tout au long du XIXe siècle. Auparavant, Isaac Newton avait présenté une théorie magnifique et convaincante du mouvement et de la gravité, et Pierre-Simon Laplace avait montré comment reformuler cette théorie en termes d’un champ gravitationnel s’étendant entre chaque objet de l’univers. Un champ est simplement quelque chose qui a une valeur en chaque point de l’espace. La valeur peut être un simple nombre, ou un vecteur ou quelque chose de plus compliqué, mais n’importe quel champ existe partout dans l’espace.
Mais si tout ce qui vous importait était la gravité, le champ semblait facultatif – un point de vue que vous pouviez choisir d’adopter ou non, selon vos préférences. Il était tout aussi acceptable de penser comme Newton, directement en termes de force créée sur un objet par l’attraction gravitationnelle des autres, sans que rien ne s’étende entre eux.
Cela a changé au XIXe siècle, lorsque les physiciens se sont intéressés à l’électricité et au magnétisme. Les objets chargés électriquement exercent des forces les uns sur les autres, ce qu’il est naturel d’attribuer à l’existence d’un champ électrique s’étendant entre eux. Les expériences de Michael Faraday ont montré qu’un aimant en mouvement pouvait induire un courant électrique dans un fil sans le toucher, ce qui indique l’existence d’un champ magnétique séparé. James Clerk Maxwell a réussi à combiner ces deux types de champs en une seule théorie de l’électromagnétisme. publié en 1873. Ce fut un énorme triomphe de l’unification, expliquant un ensemble diversifié de phénomènes électriques et magnétiques dans une seule théorie compacte. Les « équations de Maxwell » tourmentent encore aujourd’hui les étudiants de premier cycle en physique.
L’une des implications triomphales de la théorie de Maxwell fut la compréhension de la nature de la lumière. Plutôt qu’un type distinct de substance, la lumière est une onde qui se propage dans les champs électriques et magnétiques, également appelés rayonnement électromagnétique. Nous considérons l’électromagnétisme comme une « force », et c’est le cas, mais Maxwell nous a appris que les champs porteurs de forces peuvent vibrer, et dans le cas des champs électriques et magnétiques, ces vibrations sont ce que nous percevons comme de la lumière. Les quanta de lumière sont des particules appelées photons, c’est pourquoi on dira parfois : « Les photons transportent la force électromagnétique ». Mais pour le moment, nous pensons encore de manière classique.
Prenons une seule particule chargée, comme un électron. Laissé seul, il sera entouré d’un champ électrique, avec des lignes de force pointant vers l’électron. La force diminuera selon la loi du carré inverse, tout comme dans la gravité newtonienne.
Si nous déplaçons l’électron, deux choses se produisent : premièrement, une charge en mouvement crée un champ magnétique ainsi qu’un champ électrique. Deuxièmement, le champ électrique existant ajustera son orientation dans l’espace afin qu’il reste orienté vers la particule. Et ensemble, ces deux effets (petit champ magnétique, petite déviation du champ électrique existant) se propagent vers l’extérieur, comme les vagues d’un caillou jeté dans un étang.
Maxwell a découvert que la vitesse de ces ondulations est précisément la vitesse de la lumière, car elle est légère. La lumière, quelle que soit sa longueur d’onde, depuis la radio jusqu’aux rayons X et gamma, est une vibration qui se propage dans les champs électriques et magnétiques. Presque toute la lumière que vous voyez autour de vous en ce moment a son origine dans une particule chargée secouée quelque part, que ce soit dans le filament d’une ampoule ou à la surface du soleil.
Parallèlement, au XIXe siècle, le rôle des particules devenait également évident. Les chimistes, dirigés par John Dalton, ont défendu l’idée selon laquelle la matière était constituée d’atomes individuels, avec un type spécifique d’atome associé à chaque élément chimique. Les physiciens ont compris tardivement qu’en considérant les gaz comme des ensembles d’atomes rebondissants, ils pouvaient expliquer des choses comme la température, la pression et l’entropie.
Mais le terme atome, empruntée à l’idée grecque antique d’une unité élémentaire indivisible de la matière, s’est avérée un peu prématurée. Bien qu’ils soient les éléments constitutifs des éléments chimiques, les atomes modernes ne sont pas indivisibles. Un aperçu rapide, avec des détails à compléter plus tard : les atomes sont constitués d’un noyau composé de protons et de neutrons entourés d’électrons en orbite. Les protons ont une charge électrique positive, les neutrons ont une charge nulle et les électrons ont une charge négative. Nous pouvons créer un atome neutre si nous avons un nombre égal de protons et d’électrons, car leurs charges électriques s’annuleront.
De nos jours, nous savons que les protons et les neutrons sont eux-mêmes constitués de particules plus petites appelées quarks, qui sont maintenues ensemble par des gluons, mais cela n’avait aucune trace au début des années 1900.
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Les protons et les neutrons ont à peu près la même masse, les neutrons étant juste un peu plus lourds, mais les électrons sont beaucoup plus légers, environ 1/1 800ème de la masse d’un proton. Ainsi, la majeure partie de la masse d’une personne ou d’un autre objet macroscopique provient des protons et des neutrons. Les électrons légers sont plus capables de se déplacer et sont donc responsables des réactions chimiques ainsi que du flux d’électricité. De nos jours, nous savons que les protons et les neutrons sont eux-mêmes constitués de particules plus petites appelées quarks, qui sont maintenues ensemble par des gluons, mais cela n’avait aucune trace au début des années 1900.
Cette image des atomes s’est constituée progressivement. Les électrons ont été découverts en 1897 par le physicien britannique JJ Thompson, qui mesura leur charge et établit qu’ils étaient beaucoup plus légers que les atomes. Donc, d’une manière ou d’une autre, il doit y avoir deux composants dans un atome : les électrons légers chargés négativement et un morceau plus lourd chargé positivement. Quelques années plus tard, Thompson suggéra une image dans laquelle de minuscules électrons flottaient dans un volume plus grand et chargé positivement. C’est ce qu’on a appelé le « modèle du plum pudding », dans lequel les électrons jouent le rôle des prunes.
Le modèle du plum pudding n’a pas prospéré longtemps. Une expérience célèbre d’Ernest Rutherford, Hans Geiger et Ernest Marsden a projeté des particules alpha (maintenant connues pour être des noyaux d’atomes d’hélium) sur une fine feuille d’or. On s’attendait à ce qu’ils traversent pour la plupart de part en part, avec leurs trajectoires légèrement déviées s’ils traversaient un atome et interagissaient avec les électrons (les prunes) ou la goutte diffuse chargée positivement (le pudding). Les électrons sont trop légers pour perturber les trajectoires des particules alpha, et une charge positive étalée serait trop diffuse pour avoir beaucoup d’effet.
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Mais ce qui s’est passé, c’est que si la plupart des particules ont effectivement traversé sans être affectées, certaines ont rebondi sous des angles sauvages, voire même directement. Cela ne pourrait se produire que s’il y avait quelque chose de lourd et de substantiel sur lequel les particules pourraient se détacher. En 1911, Rutherford expliqua correctement ce résultat en postulant que la charge positive était concentrée dans un noyau central massif. Lorsqu’une particule alpha entrante avait la chance de toucher directement le noyau petit mais lourd, elle était déviée selon un angle aigu, ce qui a été observé. En 1920, Rutherford proposa l’existence de protons (qui n’étaient que des noyaux d’hydrogène, donc déjà découverts), et en 1921, il théorisa l’existence de neutrons (qui furent finalement découverts en 1932).
D’autres physiciens, à commencer par Maxwell lui-même, ont reconnu que le comportement connu des ensembles de particules et d’ondes ne correspondait pas toujours à nos attentes classiques.
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Jusqu’ici tout va bien, pense notre imagination fin de siècle physicien. La matière est constituée de particules, les particules interagissent via des forces et ces forces sont portées par des champs. L’ensemble du mécanisme fonctionnerait selon les règles établies par le cadre de la physique classique. Pour les particules, c’est assez familier : nous spécifions les positions et les impulsions de toutes les particules, puis utilisons l’une de nos techniques classiques (les lois de Newton ou leur équivalent) pour décrire leur dynamique. Les champs fonctionnent essentiellement de la même manière, sauf que la « position » d’un champ est sa valeur en chaque point de l’espace, et son « élan » est la vitesse à laquelle il change en chaque point. Le tableau classique global s’applique dans les deux cas.
Le soupçon selon lequel la physique était sur le point d’être entièrement compris n’était pas totalement erroné. Albert Michelson, lors de l’inauguration d’un nouveau laboratoire de physique à l’Université de Chicago en 1894, proclamait : « Il semble probable que la plupart des grands principes sous-jacents [of physics] ont été solidement établies. »
Il avait tout à fait tort.
Mais il faisait également partie de la minorité. D’autres physiciens, à commencer par Maxwell lui-même, ont reconnu que le comportement connu des ensembles de particules et d’ondes ne correspondait pas toujours à nos attentes classiques. William Thomson, Lord Kelvin, est souvent victime d’une citation erronée : « Il n’y a rien de nouveau à découvrir en physique actuellement. Il ne reste plus qu’à mesurer de plus en plus précisément. Son véritable point de vue était le contraire. Lors d’une conférence en 1900, Thomson soulignait la présence de deux « nuages » qui planaient sur la physique, dont l’un devait finalement être dissipé par la formulation de la théorie de la relativité, l’autre par la théorie de la mécanique quantique.
2024-04-03 17:30:00
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