Sourse evoluton de la pysique quantique

Sources et évolution delaphysiquequantique Textesfondateurs José LEITE LOPES et Bruno ESCOUBÈS Ki SCIENCES 17, avenue du Hoggar Parc d’activités de Courtabœuf, BP112 91944 Les Ulis Cedex A, France Une précédente édition de ce livre a été publiée en 1994 aux Éditions Masson Ouvrage publié avec le concours du Centre national du livre ISBN : 2-86883-815-4 Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés, réservés pour tous pays La loi du il mars 1957 n’autorisant, aux termes des alinéas et de l’article 41, d u n e part, que les (( copies ou reproductions strictement réservées l’usage privé du copiste et non destinées une utilisation collective »,et d’autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d’exemple et d’illustration, de la physique, décidée par l’ONU2 et lancée par l’UNESCO l’occasion du centenaire de la publication des travaux de 1’« année d’or >> d‘Einstein, puisque les textes rassemblés s’inscrivent dans la suite directe de ces recherches pionnières, dégageant ce qui apparaissait peu peu comme la voie royale de la physique de la matière élémentaire, atomique, nucléaire et subnucléaire Cet ouvrage est susceptible d’aider renouer, sur des problématiques contemporaines, le fécond et nécessaire dialogue des sciences avec la philosophie Ces > sont dus la plume de physiciens importants du XXe siècle, et les organisateurs du recueil sont également physiciens J Leite Lopes, qui fut l’élève de Wolfgang Pauli et de José-Maria Jauch lors de ses années de doctorat aux États-Unis, ami de Richard Feynman, de David Bohm, et de nombreux autres physiciens prestigieux, est connu internationalement par ses travaux, notamment sur les interactions faibles (on lui doit une première esquisse de leur unification avec les interactions électromagnétiques dans le domaine quantique) ; il fut lui-même l’un des pionniers de la physique théorique au Brésil, grand professeur et créateur d‘institutions qui ont formé des générations de chercheurs du Brésil et d‘Amérique latine Homme de progrès, il fut proscrit par la dictature militaire qui sévit dans son pays des années 1960 jusqu’au début des années 1980 Nourri de culture franỗaise, cest en France quil trouva laccueil qui lui permit la poursuite de ses travaux : l’université Louis Pasteur de Strasbourg où il a enseigné jusqu’à sa retraite, reprenant ensuite ses activités au Brésil où il se trouve aujourd‘hui Pendant son séjour en France, il engagea de fructueuses collaborations avec les physiciens expérimentateurs, et promut des dialogues riches et stimulants avec des chercheurs d’autres disciplines, et notamment des philosophes, suscitant la fondation du Séminaire sur les Fondements des Sciences de Aux éditions Masson (Paris) Lors de sa 58eAssemblée Générale IV Sources et évolution de la physique quantique l’Université Louis Pasteur-Strasbourg-ï3 La collaboration entre José Leite Lopes et Bruno Escoubès (1938-1999), physicien expérimentateur des particules, chercheur au CNRS, également intéressé par les questions de fondements et de méthodologie4, a pris naissance dans ce cadre, enrichie par des rapports personnels d’amitié Bruno Escoubès n’aura malheureusement pas le plaisir de voir republié le livre Sources et évolution de la physique quantique, où il s’était grandement investi, puisqu’il nous a quittés prématurément, encore en pleine activité, en 199g5 Ce livre est donc de part en part l’ouvrage de physiciens et il intéressera au premier chef les praticiens de cette discipline par les perspectives qu’il leur rappellera dans ce domaine Mais en même temps on saisira très vite, la lecture, comment il déborde les aspects spécialisés d u n e discipline scientifique, en faisant revivre nos yeux toute une aventure intellectuelle et ses enjeux I1 intéressera, ce titre, très largement au-delà de la physique, ceux qui se préoccupent de la formation des idées scientifiques, des nouveaux concepts et des théories, de la nature et du rôle de l’expérimentation, et des implications plus générales de la nouvelle physique sur les conceptions de la connaissance et du monde matériel À cet égard il est utile de reprendre des éléments du commentaire que l’un d’entre nous en donnait pour accueillir la première édition6 c< Pour ceux qui travaillent dans la recherche, la physique va toujours de l’avant, de sorte que le “centre de gravité” des représentations qu’ils s’en font est toujours un petit peu au-delà du présent Avant même d’avoir terminé l’analyse expérimentale et théorique des phénomènes observés, ils sont déjà en train d e n prévoir d’autres, que la force d’entrnement des premiers réclame - car les explications ne sont jamais fermées, et nécessitent quelque chose en plus Pour les autres, les non-spécialistes, et jusqu’à un public relativement large, les conceptions de la physique contemporaine font désormais partie de notre univers intellectuel, tel point que les descriptions et les commentaires qu’on Fondé, au début des années 1970, et animé par J Leite Lopes, Hervé Barreau et l’un d’entre nous (MP), ce séminaire eut un rôle important pour favoriser les dialogues interdisciplinaires I1 nourrit la publication de Cahiers et, jusqu’au début des années 1990, de la revue Fundamenta Scientiz C’est sur l’initiative de J Leite Lopes que fut organisé, en 1974, le Colloque Un demi-siècle de Mécanique Quantique, qui compta, essentiellement grâce son intermédiaire, avec des collaborations prestigieuses ; voir la publication : J Leite Lopes et M Paty (eds.), Quantum mechanics, a halfcentury later, Reidel, Dordrecht, 1977 (I1 en existe une version prộliminaire avec une partie des textes en franỗais publiée comme Cahiers Fundamenta Scientile (ULP, Strasbourg), nos25 i : cette publication peut être consultée dans diverses bibliothèques, notamment la Bibliothèque Universitaire de Strasbourg et la Bibliothèque Nationale de France) Il a notamment donné un ouvrage apprécié sur les méthodes statistiques en physique : B Escoubès, Probabilités et statistiques l’usage des physiciens, éditions Ellipses, Paris, 1998 La vie, les travaux et les engagements de Bruno Escoubès sont évoqués dans la brochure Bruno Escoubès Hommages et témoignages, CNRS, Strasbourg, 29 septembre 1999 M Paty, [C-r de lecture] c< J Leite Lopes et B Escoubès, Sources et évolution de la physique quantique Textes fondateurs N, Lettre des Départements scientifiques du CNRS Physique nucléaire et corpusculaire, IN2P3, no 19, oct.-déc 1994, 26-27 Avant-propos V en donne sont toujours actualisés, formulés dans des termes d‘aujourd’hui, comme s’ils l’avaient toujours été, participant d u n e connaissance intemporelle et énoncés une fois pour toutes, bien que l’on sache que la physique évolue et que l’on attende toujours son fin mot En sorte que l’on en oublie les tâtonnements anciens et les surgissements périodiques d‘idées nouvelles qui ont marqué toute son histoire Cela vaut d’ailleurs pour les accomplissements relativement récents : tendus vers la recherche du sixième quark ou des bosons de Higgs, l’on en oublie presque que ce qui les a motivés, les symétries de jauge, ont fait un jour leur apparition, ellesmêmes suscitées dans la pensée théorique par des problèmes antérieurs Si nous dévidons, partir de ce que nous savons aujourd‘hui de la physique des particules élémentaires et des champs quantifiés, le fil des questions et des découvertes, qui sont inextricablement d’ordre expérimental et d’ordre théorique, c’est tout le développement de la physique atomique et quantique qui se présente nous Telle est l’aventure que nous proposent J Leite Lopes et B Escoubès - comme une cure de rajeunissement pour une discipline déjà riche et quelque peu âgée, plutôt qu’un simple album de souvenirs - en nous donnant lire et en nous présentant l’ensemble de textes fondateurs réunis dans ce livre Quelle frcheur, en effet - et quel plaisir intellectuel - de lire, dans les termes mêmes de leurs inventeurs, dans le halo parfois incertain, parfois déjà étrangement précis, de leur apparition, de leur nouveauté, les énoncés de cette physique qui s’élabore peu peu, de la découverte de la radioactivité la recherche de la symétrie des champs unifiés I1 était, bien entendu, nécessaire de faire un choix parmi l’abondante production d’idées et de résultats couvrant tout un siècle - depuis la découverte faite par Becquerel -, et portant sur un vaste domaine Celui-ci inclut, en effet, la physique des rayonnements et de l’atome, la physique quantique sous sa première forme, semi-classique, puis comme mécanique quantique, prolongée en théorie quantique des champs, les physiques atomique et nucléaire, celle du rayonnement cosmique, enfin la physique des particules élémentaires, prolongée dans 1’« astroparticule >> actuelle et la cosmologie des premiers instants de l’Univers Le choix proposé par J Leite Lopes et B Escoubès se fonde sur le fait que la théorie des particules élémentaires s’identifie aujourd’hui la théorie quantique des champs, et que l’axe théorique de tous ces développements - très bien indiqué par le titre de leur ouvrage - est celui de l’élaboration de la théorie quantique, qui culmina un temps avec la mécanique quantique non relativiste, mais qui a pris décidément depuis la direction - relativiste - de la théorie quantique des champs, de l’électrodynamique quantique aux champs de jauge unifiés Une fois prise la décision de privilégier la physique théorique sous son aspect fondamental, dans la ligne indiqe, le choix des textes appart judicieux Ceux qui ont été retenus comptent parmi les plus significatifs de l’élaboration de la physique quantique, de la radioactivité la mécanique quantique et la théorie quantique des champs, tout en restant généralement accessibles au-delà des jargons techniques - et ne serait-ce pas là, d’ailleurs, la définition de ce que l’on pourrait appeler désormais les grands classiques >> ? Ils sont répartis en chapitres, introduits par un commentaire, toujours éclairant, qui les (( VI Sources et évolution de la physique quantique situe dans leur contexte et évoque les autres travaux qui les ont rendus possibles ainsi que ceux, également importants, mais qui ne pouvaient trouver leur place dans ce précieux recueil Le résultat est une présentation de tout un pan de la physique contemporaine, travers la lecture directe de certains de ses textes fondateurs, telle qu’elle s’est constituée grõce linvention didộes nouvelles conỗues pour la formulation et la résolution des problèmes posés par la structure de la matière La plupart des textes choisis sont des articles originaux - souvent daccốs difficile, notamment en langue franỗaise Quelques-uns sont de nature expérimentale, comme ceux de Becquerel sur la radioactivité, de Rutherford sur l’existence du noyau atomique, de Uhlenbeck et Goudsmit sur la mise en évidence du spin de l’électron D’autres sont plus (< phénoménologiques »,comme celui de Pauli sur le principe d’exclusion, ou celui de Fermi sur la statistique qui porte son nom D’autres, enfin, sont de nature plus (c fondamentale >> d u point de vue théorique, et ce sont les plus nombreux, en raison du principe qui a présidé la sélection Ils concernent tout d‘abord l‘hypothèse des quanta de Max Planck et d’Albert Einstein De la période intermédiaire entre les premières idées sur les quanta et l’élaboration de la mécanique quantique, les auteurs ont retenu l’article de S.N Bose sur la statistique des particules de spin entier L’absence des articles fondamentaux d‘Einstein de cette période intermédiaire, celui de synthèse de 1915 (((Vers une théorie quantique du rayonnement », republié en 1916), qui fut le point de départ de tous les travaux ultérieurs, vers la mécanique ondulatoire comme vers la mécanique quantique, et ceux de 1924-1925 sur ce qui devait s’appeler la (< statistique de BoseEinstein », s’explique par le fait que ces textes sont devenus des classiques, republiés et plus faciles trouver7 L’élaboration des mécaniques ondulatoire et quantique est présente par des articles de Louis de Broglie, Erwin Schrodinger, Werner Heisenberg, ainsi que celui de Max Born établissant la fois 1’ (( approximation de Born N en théorie des perturbations et l’interprétation probabiliste de la fonction d’onde Celle de la mécanique quantique relativiste nous est donnée avec l’article original de Paul A.M Dirac Les questions d’interprétation au sens général, caractéristiques de la mécanique quantique, ne sont pas absentes, représentées par Niels Bohr et la complémentarité, ainsi que par les considérations de Fritz London et Edmond Bauer sur la réduction du paquet d‘ondea L‘élaboration de la théorie quantique des champs et les développements récents sont confiés des rétrospectives, plus accessibles et synthétiques que les contributions originales - telles la découverte par Richard Feynman des intégrales de chemin, contée par son auteur de la manière la plus vivante, ou l’invention de la théorie électrofaible évoquée par Steven Weinberg dans son Les Annales de la Fondation Louis de Broglie (1979, 1982) en ont donné naguère des traductions, et lộdition en franỗais des CEuvres choisies dEinstein (6 vols., Seuil, Paris, 1989-1993) a incorporé de nouvelles traductions de ces articles dans le premier volume, sur Les Quanta (1989) I1 aurait fallu un autre volume entier pour couvrir tout ce domaine, comme par exemple le livre de recueil de textes de John A Wheeler et Wojcieh H Zurek, Quantum the0 y of measurement, Princeton University Press, Princeton, 1983 Avant-propos VI1 Discours de réception du Prix Nobel - ; ils sont aussi l’objet de prospectives, par la reprise d’un texte de Pierre Fayet, qui sert de conclusion ouverte sur l’avenir, avec les perspectives offertes aujourd’hui l’unification Un appendice sur la physique: nucléaire au cours des années 30 dans différents pays et une bibliographie complètent l’ensemble Au total, on ne peut que se féliciter de l’heureuse initiative prise par José Leite Lopes et Bruno Escoubès en mettant sous nos yeux un ensemble aussi riche d’idées et aussi exemplaire dinventivité, qui témoigne l’évidence pour la créativité du travail scientifique, avec ceci de remarquable que les formes inventées nous rendent intelligible la constitution matérielle du monde où nous vivons >> Ces textes représentent des moments marquants de l’histoire de la physique contemporaine et de son développement, tant par le mouvement de la pensée qu’ils rendent manifeste pris dans leur ensemble, que par leurs incidences implicites ou explicites sur les problèmes de la philosophie de la connaissance Cette réédition, qui se présente SOUS la forme d’un fac-similé, n’appelait pas de changement particulier par rapport la première, et nous avons également jugé bon de garder la préface, tout fait pertinente, que Jean-Marc Lévy-Leblond, professeur émérite l’université de Nice, avait donnée pour la première édition la demande des auteurs Nous remercions vivement José Leite Lopes et Salomé de Unamuno Escoubès, légataire de son époux décédé, de nous avoir confié cet ouvrage, de nous avoir fourni tous les éléments pour sa publication, et de ne pas avoir désespéré au vu des difficultés éditoriales rencontrées Michel PAW et Jean-Jacques SZCZECINIARZ TABLE DES MATIÈRES Préface XI Chapitre : De l’atomisme grec la découverte de la radioactivité 1.1 Les intuitions grecques 1.2 L‘atomisme 1.3Ladynamique 1.4 La cosmologie 1.5 La synthèse newtonienne 1.6 Les découvertes du XIXe siècle Article I - H Becquerel :Découverte de la radioactivité 11 Chapitre : De la relativité la première quantification 2.1 La théorie de la relativité 2.2 Planck et la quantification de l’énergie ; Einstein et les photons 2.3 Les modèles atomiques, de Thomson Bohr 13 16 18 Article II - M Planck :Quant3catioiỵ de l’interaction rayonnementmatière 20 Article III - A Einstein :Le photon 28 Article IV - E Rutherford : La mise en évidence du noyau 41 Chapitre : La construction de la nouvelle mécanique 3.1 Le principe d‘exclusion et le spin de l’électron La condensation de Bose 57 Article V - W Pauli :Le principe d’exclusion 63 Article VI - G.E Uhlenbeck et S Goudsmit :Le spin de l’électron 78 Article VI - E Fermi :La statistique des fermions 81 Article VIII - S Bose :La statistique des bosons 85 3.2 La mécanique quantique 89 Article I X - L de Broglie :La longueur d’onde associée la matière 92 Article X - E Schrodinger :L’équation non relativiste des ondes de DeBroglie 99 2.3 L’interDrétation Drobabiliste de la mécanique quantique _- Article XI ~ I W Heisenberg ~ I :La mécanique des matrices I - 112 126 302 Sources et évolution de la physique quantique Les superpartenairet e t le " M o d è l e Standard Supersymétrique " Le partenaire du photon est une partlcuie neutre de spin 1/2,qui ne peut s'identitier aucun des neutrinos connus v,, up ou même U r ,et que j'ai appelée en 1976 neutrino du photon, par la suite contracté en " photino D e même les huit gluons responsables des interactions fortes sont associés huit particules de spin 1/2, appelées I' gluinos ", et les W* et des '' winos " et " zinos ", aussi de spin 1/2 Les leptons et des quarks sont associés des partenaires de spin O " sleptons " et " squarks " (volr table 1) Les échanges de ces derniers entre leptons e t quarks, susceptibles d'induire de nouvelles interactions, non-observées, peuvent être interdits grâce une nouvelle loi de conservation, celle de l a R-parité ; faute de quoi le proton se désintégrerait en une très brève fraction de seconde, une véritable catastrophe ! Enfin la brisure de la symétrie électrofaible nécessite maintenant un système de bosons de Higgs plus étendu, incluant un boson de Higgs chargé (qui peut même apparaïtre comme relié au par deux transformations de supersymétrie) Tout cet ensemble constitue ce que l'on appelle maintenant le Modèle Standard Supersymétrique " La R-parité peut se définir comme étant simplement +1 pour les particules ordinaires (y compris les bosons de Higgs) et -1 pour les nouveaux superpartenaires souvent appelés aussi I' particules supersymétriques 'I La conservation de la R-parité - ou sa non-conservation éventuelle - sont reliées celles du nombre baryonique B et du nombre leptonique L Elle implique que les nouvelles particules doivent être produites seconde, les produits en paires La plupart se désintègrent, souvent en moins de de désintégration étant seuls observables La loi de conservation, multiplicative, de la R-parité impose que parmi ceux-ci on trouve encore une (ou un nombre impair) de ces nouvelles particules La plus légère doit donc être stable Elle est aussl probablement neutre, sinon elle aurait conduit des isotopes anormaux de l'hydrogène, qui n'ont pas été détectés Ce pourrait être le photino, ou plus généralement un mélange de divers fermions neutres ; et un candidat possible pour constituer la fameuse matiëre sombre qui serait abondamment présente dans notre Univers, formant peut-être l a plus grande partie de ceiui-cl La recherche des superpartenaires, entreprise dès la fin des années 1970, constitue l'heure actuelle l'une des préoccupations essentielles de la physique des particules Les expériences effectuées auprès de l'anneau de collision e+e- du LEP a Genève ont brillamment confirmé la validité du " modèle standard " avec trois types de neutrinos seulement e t donc trois familles de leptons e t de quarks, même si le sixième quark (le top), est trop lourd pour y avoir été détecté - ' Mais aucun de ces superpartenaires ni d'ailleurs aucun boson de Higgs - n'a été trouvé au LEP dans les désintégrations de plusieurs millions de 2,pas plus qu'auprès des collisionneurs pp du CERN et de Chicago L a plupart de ces nouvelles particules doivent donc être plus lourdes qu'une quarantaine de GeV/cZ, ou même sans doute une centaine pour les squarks e t les gluinos O n compte beaucoup maintenant après l'augmentation en cours de l'énergie du LEP, sur les projets de collisionneurs LHC (dans le tunnel du La découverte du quark top pourrait avoir lieu au collisionneur proton-antiproton de Fermilab Chicago au cours des prochaines années Mais ceci dépend de la valeur de sa masse (de 100 200 GeV/cz) Vers l'unification des interactions LEP) e t sSC (au Texas 303 *), qui permettront d'accéder une nouvelle échelle d'énergie Table Les particules et leurs images par supersymétrie Particules (R = t i ) Superpartenaires (R= -1) (hypothétiques) fortes : gluons spin : Constituants de la matière (fermions) I leptons ( Y,, up, u, e, p , T graviton (hypothétique) spin (neutrinos) (charge - 1) gluinoa photino winos et zinos spini/Z quarks d , (us B Bosons de Higgs (hypothétiques) squarks spin O higpinos spin 1/2 ] fermions spin 3/2 gravilino sleptons (charge 2/3) b (charge -1/3) ] I bosons de spin O fermions de spin / Les particules élémentaires connues se répartissent en deux grandes classes Les messagers des quatre interactions fondamentales sont les gluons, le photon, /es bosons intermédiaires Wf et Z (de spin ï)>.ainsi que l'hypothétique graviton (de spin 2) Les gluons et le photon sont de masse nulle, tandis que les Wf et ont près de LOO fois la masse du proton Les constituants de la matière comprennent six quarks et six leptons, de spin 1/2 Les quark8 ont des charges électriques fractionnaires, 2/3 ou -1/3 Contrairement aux leptons, Ils peuvent échanger des gluons et sont donc sensibles aux interactions fortes En plus des quarks u et d (constituants des nucléons) il en existe trois autres , c et b et la cohérence de la théorie nécessite un sixième quark, le top t, non encore observé" En outre, la différenciation entre interactions faibles et électromagnétiques, ainsi que l'existence des masses, sont attribuées un mécanisme nécessitant de nouvelles particules les bosons de Higgs La supersymétrie conduit a associer aux particules précédentes d'hypothétiques superpartenaires, qui en d i a r e n t par le spin et la masse, telles que les squarks et les séiectrons, les gluinos et le photino La plus légère, neutre et stable, serait-elle un constituant de la " matière sombre " de l'Univers I ~~ ~~ Abandonné en novembre 1993 par suite d'un vote défavorable du Sénat des EtatsUnis (note des auteurs de l'ouvrage) ** La découverte du t o p a été annoncée au printemps 1994 Voir page 278 (note des auteurs de l'ouvrage) 304 Sources et évolution de la physique quantique Mais si l'on n'a pas détecté les superpartenaires aujourd'hui, pourquoi les trouveraiton demain ? Ces particules, si elles existent, ne doivent pas en principe avoir des masses (80 GeV/c'), faute de quoi cette dernière se trouverait en très supérieures celle du quelque sorte " aspirée " vers des valeurs beaucoup plus grandes Ce type d'argument indique que les masses attendues sont de préférence de l'ordre de la centaine de GeV/c2, o u au plus du TeV/c' (1 TeV = O00 GeV) II a été très utilisé, au début des années 1980,dans le cadre de la grande unification des interactions fortes, électromagnétiques et faibles Ces théories rencontrent un grave problème, la masse du ayant tendance y être aspirée par l'énergie d'unification de ces trois interactions au moins lo1' fois supérieure ! Les théories supersymétriques sont susceptibles de faciliter la résolution de ce problème, tant que les masses des superpartenaires ne dépassent pas l'ordre du TeV/cz w w Supersymétrie e t unification Dans l'approche de la grande unification, les médiateurs des interactions fortes, électromagnétiques e t faibles (voir table 1) sont reliés, et le proton doit être tr& faiblement instable, se désintégrant par exemple en r o e + , par transformation en iepton d'un de ses quarks constituants La grande unification permet aussi de relier les intensités de ces trois interactions Mais les prédictions du modèle le pius simple, tant en ce qui concerne la durée de vie finie du proton que les relations entre intensités des interactions, ont été infirmées par les résultats expérimentaux Ces prédictions sont modifiées, dans ie cadre des théories supersymétriques, par l'effet des superpartenaires e t des nouveaux bosons de Higgs et sont alors parfaitement compatibles avec les observations (figure) Cecl peut titre considéré de manière optimiste, la fois comme un indice de l'existence des superpartenaires - et avec des masses pas trop élevées - et d'une unification entre GeV, ou un peu plus les interactions, une énergie de l'ordre de II s'agit d'une énergie qui commence se rapprocher de I"' énergie de Planck " -1 (GN:w,an soit environ lo1' GeV), où l'interaction gravitationnelle, extrêmement faible aux énergies usuelles, devient une interaction de forte intensité C'est que les quatre types d'interactions pourraient se fondre en une interaction unique A des énergies aussi énormes, les effets quantiques de l a gravitation sont essentiels Or la mécanique quantique et la relativité générale - qui décrit ia gravitation - ne font pas bon ménage : dans les calculs apparaissent des quantités infinies, que l'on ne sait pas traiter de manière satisfaisante II semble que l'on doive aiors quitter le cadre habituel de la théorie des champs décrivant des particules élémentaires ponctuelles, pour se représenter celles-ci comme des objets étendus tels que des cordes L'espace pourrait alors ?tre doté de dimensions supplémentaires, très petites, e t les particules correspondraient aux divers états de vibration d'une corde minuscule ( X cm), leurs interactions résultant de processus de fusion ou de séparation entre cordes La supersymétrie joue un r81e essentiel dans cette approche, dite des supercordes II est très difficile de savoir si ces théories permettent de décrire les particules avec les symétries, les masses et les interactions que nous leur connaissons Du moins imagine-t-on ainsi ce que pourrait être une " théorie ultime " unifiant toutes les interactions, des énergies gigantesques qu'il n'est pas question d'atteindre directement Mais les futurs accélérateurs LHC et SSC devraient permettre d'explorer l'échelle d'énergie du TeV, éclairant les mécanismes de lo-'' Vers Vunification des interactions 305 la différenciation entre interactions et de l'origine des masses Et on a bon espoir de découvrir aiors l'existence des superpartenaires, qui révèlerait la supersymétrie comme invariance fondamentale des lois de la physique au delà de la relativité générale Lien entre les intensités des trois interactions 60 40 20 O ENERGIE (GeV) 102 mJ io5 10'0 ENERGIE ( G e V ) 10'6 %"TI Les paramètres al, a2 et a3, qui déterminent les intensités des interactions électromagnétiques, faibles et fortes sont en fait des fonctions lentement variables de l'énergie, dont on peut extrapoler le comportement très haute énergie partir des mesures actuelles Dans une théorie de grande unification ces paramètres doivent converger une énergie très élevée, pour laquelle les trois types d'interactions viendraient se fondre en une interaction unique Le modèle le plus simple est maintenant exclu cette convergence ne se produisant pas (a) Mais l'effet des superpartenaires sur l'évolution de ces trois paramètres conduit une convergence remarquable (b), qui pourrait indiquer la fois'üne unification entre interactions (vers GeV ou un peu plus), et l'existence de ces superpartenaires des énergies pas trop éloignées Bibliographie M Jacob (North Holland/World Scientific, 1986) P Fayet, La Recherche 19 334 (1988) ; Introduction t o Supersymmetric Theories of Proc of t h e Erice Particles and Interactions, in '' Properties of SUSY Particles Workshop, (1992), ed by Cifarelli and Khoze (World Scientific, 1993) p l Supersymmetry and Supergravity, A Reprint Volume of Physics Reports, ed " 306 Sources et éuolution de la physique quantique Louis Armctrong et Niels Bohr, auz environs de 1955 (Source : Niels Bohr Archive, tous droi2J réservés) Appendice La physique nucléaire dans les années 30 aux Etats-Unis, en France, au Japon et au Brésil Les bouleversements politiques de l’Europe des années 1930 - le fascisme en Italie, le nazisme en Allemagne - provoquèrent l’émigration des gands talents en science, en technologie, en arts de l’Europe vers les Etats-Unis d’Amérique Ce fut le cas de physiciens tels que Albert Einstein, Eugene P Wigner, Leo Szilard, Edward Teller, Hans Albrecht Bethe, Enrico Fermi, Gian Carlo Wick, Emilio Segrè, Sergio de Benedetti ; de mathématiciens comme Hermann Weyl, John von Neumann, Paul Erdik, Claude Chevalley, des écrivains tels que Thomas Mann, Jacques Maritain, et tant d’autres, comme le biologiste Severo Ochoa, des ingénieurs, des peintres, des musiciens Le transfert de connaissances est un processus historique fondamental et irréversible, générateur d’idées et de technologies nouvelles ; le transfert de technologie, tant prôné, n’est qu’un des produits du transfert de connaissances Le Brésil a bénéficié d’une petite partie de ce transfert : les physiciens Gleb Wataghin, Giuseppe Occhialini, Bernhard Gross, Guido Beck, David Bohm (en provenance des Etats-Unis dans l’après-guerre) ; les mathématiciens Luigi Fantappiè, Giacomo Albanese, Achille Bassi, suivis de Jean-Dieudonné, André Weil et des Portugais Antonio Monteiro, Pereira Gomes, Manuel Zaluar ; les chimistes Heinrich Rheinboldt, Heinrich Hauptmann, Hans Stammreich, Hans Zocher, Fritz Feigl ; des humanistes tels que l’historien Fernand Braudel, l’anthropologue Claude Lévy-Strauss,les écrivains Roger Bastide ainsi que Fortunat Strowski, Jacques Lambert, René Poirier ont contribué développer les recherches aux Universités de Sa0 Paulo, de Rio et de Recife Stefan Zweig mettra fin ses jours Petropolis en février 1942, au moment le plus tragique de la guerre Des peintres comme Vieira da Silva et Arpad Szenes, l’écrivain Otto Maria Carpeaux, se sont établis Rio cette époque Les rayons cosmiques furent l’objet de recherches menées par Wataghin qui, dans un article publié en 1940 avec Souza Santos et Paulus Pompeia, annoncèrent avoir détecté la production simultanée de particules pénétrantes dans le rayonnement cosmique 800 m d’altitude, les “gerbes pénétrantes”’ Un ancien élève de Wataghin, Mario Schônberg, publia un article* dans les Rendiconti deli’Accademia dei Lincei, Rome, où il proposa la représentation de la fonction impropre de Dirac par l’intégrale de Stieltjes Avec Gamow’, Schônberg * ’ P.A Pompeia, M.D.de Souza Santos et G Wataghin, Phys Rev 57, 61 (1940) M Schonberg, Rendiconti Reale d A c a Nu dei Lincei, 20, 81 (1937) G Gamow et M Schhberg, Phys Rev , 1117 (1940) ; 69, 539 (1941) 308 Sources et évolution de la physique quantique établit le rôle des neutrinos électroniques dans le processus de perte d’énergie des étoiles en contraction gravitationnelle (le processus Urca : Gamow comparait la perte d’énergie par les étoiles en contraction par émission de neutrinos la perte de leur argent par les joueurs du Casino d’Urca, situé sur les flancs du Pain de Sucre Rio de Janeiro) Dans les années 50, un bêtatron fut installé l’Université de Sa6 Paulo : il permit le développement de recherches sur les réactions photonucléaires ; on y confirma le rôle des nombres magiques4 des noyaux sur les sections &caces de ces réactions jusqu’à 30 MeV A la même époque, Oscar Sala, en collaboration avec l’université du Wisconsin, installa un accélérateur Van de Graaff et mit en route l’étude des réactions provoquéees par des ions Nous avons évoqué la découverte des pions en 1947 et la nouvelle impulsion qu’elle donna au développement de la physique au Brésil Le développement de la recherche aux Etats-Unis fut le résultat des activités des Universités - privées et des Etats de la Fédération -,des Instituts technologiques et des laboratoires d’entreprises industrielles La tendance a toujours été dans ce pays d’éviter une planification centrale Les fondations privées telles que la Rockefeller Foundation - qui a aidé la physique en Europe et en Amérique du Sud (Pauli, Heisenberg, Landau et tant d’autres scientifiques bénéficièrent de bourses d’étude Rockefeller), la Ford Foundation, la John Simon Guggenheim Memorial Foundation, eurent un rôle important pour le développement de l’enseignement supérieur et de la recherche scientifique En 1950, après cinq années de débat au Congrès des Etats-Unis, fut créée la National Science Foundation (le National Research Council lié la National Academy of Sciences fut instauré pendant la Première Guerre mondiale) En 1951, un Science Advisory Committee fut créé auprès du Président des Etats-Unis La Commission de l’Energie Atomique, créée après la Deuxième Guerre mondiale, joua un rôle important dans le développement des laboratoires de recherche en physique nucléaire et en physique des hautes énergies Elle fut récemment absorbée par le Department of Energy (Ministère de 1’Energie) Après l’invention du cyclotron, une quinzaine d’universités se dotèrent de ces accélérateurs- ce qui montre bien que les universités américaines constituaient un sol fertile pour l’accueil et la collaboration des physiciens immigrés d’Europe dans les années 1930 L’intervention de 1’Etat dans le financement des grands projets de recherche s’est avérée néanmoins indispensable, surtout après le succès du projet Manhattan Des laboratoires nationaux se sont constitués grâce la réunion, le cotuortium de plusieurs universités, tel que I’Associated Midwest Universities qui institua le National Brookhaven Laboratory Un autre consortium, plus large, constitua le Fermi National Laboratoiy, Batavia Au Japon, la recherche en physique nucléaire débuta dans les années 1930, dans la ligne de la réforme Meiji de 1868 qui introduisit l’enseignement de la science occidentale dans les universités nationales Dew laboratoires importants existaient l’Institut de Recherche en Physique et Chimie Rikken Tokyo, ceux de S J Goldemberg et J Leite Lopes, Phys Rev 199, 1053 (1955) Vers l’unification des interactions 309 Nishikawa et de Yoshio Nishina Le laboratoire de Nishina, créé en 1931, possédait un groupe de physiciens tramillant dans les rayons cosmiques et des physiciens théoriciens Nishina, bien connu pour son travail avec Oskar Klein sur la section efficace de l’effet Compton, passa un certain temps en Europe, Cambridge, Gottingen et Copenhague, et attira les théoriciens S Kikuchi, Sin-Itiro Tomonaga et Shoidii Sakata dans son laboratoire Ce fut l’université d’Os& que Hideki Yukawa eut l’idée des mésons comme les quanta des forces nucléaires et développa sa théorie avec Sakata et Taketani La visite de Niels Bohr au Japon en 1937 exerỗa une infiuence positive sur la physique dans ces laboratoires Mais, contrairement aux Etats-Unis, il n’y eut aucqne migration de scientifiques de l’extérieur vers le Japon Dans les années 1950, après la tragédie des bombes atomiques, de nouvelles universités furent créées, ainsi que des instituts tels que l’Institut de Recherche en Physique Fondamentale Kyoto (Yukawa) en 1953, I’Obsenatoire des Rayons Cosmiques sur le mont Norikura, l’Institut d’Etudes Nucléaires Tokyo en 1955, doté de deux cyclotrons (1957, 1958) et d’un synchrotron électrons (1961), dont l’énergie peut s’élever 1,3 GeV L’année 1971 fut celle de l’inauguration du KEK, le Laboratoire National de Physique des hautes energies, avec un synchrotron protons de 12 GeV et un accélérateur électrons de 2,5 GeV en 1982 En France, la tradition historique d’un gouvernement centralisateur a conduit un développement de la recherche scientifique et technologique principalement concentré Paris et dans la région parisienne Le CNRS fut créé quelques mois avant le déclenchement de la Deuxième Guene mondiale, sous l’inspiration de scientifiques de prestige comme Jean Perrin, Irène Curie, Frédéric Joliot, Pierre Auger Cette organisation stimule la recherche dans les universités, les grandes écoles (comme 1’Ecole polytechnique et 1’Ecole normale supérieure), et dans ses laboratoires propres répartis SUT tout le territoire (Marseille, Lyon, Grenoble, Strasbourg, Caen, Orsay, etc.) Le Commissariat 1’Energie Atomique, créé en 1945, a, entre autres activités, un Centre d’Etudes Nucléaires Saclay, un autre Grenoble, équipés de divers accélérateurs de particules Après les travaux de Pierre Weiss, Louis et Maurice de Broglie, Pierre Auger, Alexandre Proca, Eugène Bloch, Francis Perrin, toute une génération de chercheurs est apparue en France, avec Louis Néel, Louis Leprince-Ringuet, André Berthelot, Louis Michel, Maurice Lévy, Claude Bouchiat, Bernard d’Espagnat, Marcel Froissart, Philippe Meyer, Roland Omnès, Jacques Prentki ; André Lagarrigue et Bernard Grégory ; Charles Peyrou ; de la génération suivante on peut citer les expérimentateurs P Musset, P Darriuiat, R Turlay, et les théoriciens P Fayet, J iliopoulos, C Itzykson, M.Jacob, J.M Lévy-Leblond, M.Le Bellac, J Zinn-Justin, C Zuber, entre autres Témoins et acteurs du renouveau scientifique franỗais aprốs la Deuxiốme Guerre mondiale : les prix Nobel de physique Alfred Kastler et Louis Néel, PierreGilles de Gennes et Georges Charpak, ainsi que le prix Nobel de chimie Jean-Marie Lehn Bibliographie (Avec les éditiona l w plus récentes, quelques éditions originales) L ALLEN, P FORMAN, J.L HEILBRON et T.S KUHN, S O U ~ for ~ Whistory of quantum physics A n inventory and report - The American Philosophical Society, Philadelphie (1967) A ASPECT et al., Le monde quantique - Points Sciences Le Seuil (1985) J P BATON et G COHEN-TANNOUDJI, L’horizon des Particules - NRF Essais Gallimard (1989) B.BENSAUDEVINCENT, Langevin, Science et Vigilance - coll Un savant, une époque Belin (1987) M BIEZUNSKI, Histoire de la Physique Moderne - coll Histoire des Sciences / La Déeouverte (1993) N.BOBR, Physique Atomique et Connawsance Humaine - Folio Essais / Gallimard (1991) M.BORN, Structure Atomique de la Matière Introduction la physique quantique - Collection U / Armand Colin (1971) L.de BROGLIE, Louis de Broglie, Physicien et Penaeur (coniributioru de la plupart des créateurs de la physique moderne) - Les Savants et le Monde Albin Michel (1953) M BUNGE, Philosophie de la Physique - Science Ouverte / Le Seuil (1975) D CASSIDY, Uncertainty (The life and science of Werner Heisenberg) - Freeman and Cie / New York (1992) 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Bloch E 309 Bohm D 307 Bohm-Aharanov (effet) 270 Bohr N 17-19,57, 90-91,127, 133-152 241,242,244,309 Boltzmann L (constante) 16 Born M 57,91,126-127,129-132 Bose (condensation) 61 BosoEinstein (statistique) 85-88 boson 258 boson intermédiaire 259, 275-278 Bothe W 242 Bouchiat C 309 Braudel F 307 Breit G 244 de Broglie L 89-90,92-98,189,309 de Broglie M 309 bulles (chambres à) 256, 277 (note) Buridan J Cabbibo N (angle) 258 Carlsen F 245 Carpeaux O.M 307 Cartan E 193 Cassen B 244 centrifuge (force) 15-16 CERN 18,255,277 Chadwick J 241,242 Chandrasekhar S 61 charme 268-269 Charpak G 256,309 Chevalley C 307 Christenson J 276 chromodynamique quantique 272 civilisations précolombiennes Cockroft J 255 complémentarité (principe) 127, 133-152 Compton A 89 (effet) 89, 213-214 Condon E 244 conjugaison de charge 3, 276 Conversi M 256 Cooper (paires de) 62 Copernic N Coriolis (force) 15-16 couleur 61, 267,272 courants faibles neutres 277 Cronin J 276 Crookes W 10 CÜer P 256 Curie I 242, 309 Dalton J Dancoff S.M 245 Darriulat P 309 Démocrite DescartesR Dieudonné J 307 Dirac P.A.M 2,60,91, 128, 190-193, 194208,209 (équation) 194-208 Doppler (effet) 14 Duhem P Dyson F 275 Einstein A 2, 13-17,28-40,89, 126, 189,209,275,297,307 Sources et évolution de la physique quantique 314 Ellis C.D 241 électrodynamique quantique 219-240 Empédocle Eotvos von R 16 Epicure Erathostène E r d k P 307 d’Espagnat B 309 éther 13 étrangeté 262-263 Euler L exclusion (principe d’) 57-58, 296 Fantappiè L 307 Faraday M 298 Fayet P 299-308,309 Feigi F 307 Fermi E 60-61, 81-84,242-243, 258,262, 298, 307 (statistique de Fermi-Dirac) 60, 81-84 (pression) 61 (interaction) 242-243,258,262, 298 FERMILAB 19, 255, 303 (note), 308 fermion 60, 81-84, 299 Feynman R.P 210-217, 219-240, 258-259, 272,275,298 Fitch V 276 Franck J 19 Frohlich H 245 Froissart M 309 Galilée 2,4, 6, 13-14, 16, 298 (transformations) 13-14 Gamow G 307-308 Gardner E 257 Gay-Lussac L.J Geiger-Müller (compteur) 255 Gell-Mann M 258, 261-269, 298 Gennes de P.G 309 Gibbs J.W Glashow S 259,268,276, 297-298 gluons 272 Gomes P 307 Gordon W 190 Goudsmit S 58, 78-80 graviton 303 Gregory B 309 Gross B 307 Hafstadt L 244 Hahn O 241 Hamilton W.R Hauptmann H 307 Hawking S 296 (note) Heisenberg W 90-91, 112-125, 127, 243, 244, 262-263, 275,278, 308 Heitler W 245 Héraciite Hertz G 19 Hertz H 10 Heydenburg N 244 Hilbert (espace de) 127 Higgs (boson de) 277,278,301,303 Hofstadter R 18 Homère Hooft t’ G 298 Hulthén L 245 hypercharge 262-264 hypéron 263 Iliopoulos J 268,309 incertitude/indétermination(relations) indiscernabilité 59 isospin 263, 272 Itzykson C 309 Imnenko D 243 Jacob M 309 Jauch J.M 245 jauge (transformations) 270-271 Jeans J 16 Joliot F 242, 309 Jordan P 91 kaon 261 Kastler A 309 KEK (laboratoire) 309 Kemmer N 245 Kepler Kerst D 255 Kikuchi S 309 Kirchhoff 16 Klein O 190,258,309 Kobayashi-Maslcawa (matrice) 258 Kronig de R 58-59 Kusaka S 245 Lagarrigue A 309 Lagrange &bW.E 210 127 Vers l’unification des interactions Lambert J 307 Landau L.D 309 LandéK 308 Laplace P.S Lattes C.M.G 245, 256-257 Lawrence E.O 255 Le Bellac 309 Lederman L 257, 269 Néel L 309 Neumann von J 307 neutrino 241-242, 257, 262 Newton I 2, 6-8, 9, 13, 17,262, 298 Nishijina K 262 Nishikawa 309 Nishina Y 309 Nominalist- ( E a l e des) I Lee T.D 258,276 Occhialini G 192, 245,256, 307 Ochoa S 307 Omnès Fi 309 Oppenheimer J.R 245, 256, 307 OresrneN Ostwald W Lehn J.M 309 Leibnitz Leite Lapes J 259, 286 LEP (accélérateur) 255 Leprince Ringuet L 309 Leucippe Lévi-Strauss C 307 Lévy M 309 Lévy-Leblond J.M 309 LHC (accélérateur) 255 Livingstone M.S 255 Locke J London F 153-187 Lorentz H.A 14, 16, 18, 298 Lucrèce 3-4 Pais A 126 Pancini E 256 Parménide Pauli W 57-61, 03-77, 91, 191-193, 275,296, 298, 308 MachE Maiani L 268 Majorana E 243, 244 Manhattan (projet) 308 Mann T 307 matrices (mécanique des) 90-91, 112-125 Maritain J 307 Marshak R 245,258 Maupertuis P.L.M Maxwell J.C 2, 9, 270, 275, 298 Meitner L 241 243-245 Meyer P 309 Michel L 258, 309 m&n Michelson et Morley (exfirience) Mills R 271,275 Minkowski H 15 modèle standard 275-278 Méller C 245 Monteiro A 307 Muirhead G 245, 256 muon 256-259 Musset P 309 NagaokaH 18 Neddermayer S 192, 244,256 315 14 (matrices) 59 (neutrino) 241-242, 244 (Le principe d’exclusion) 65-79 Perrin J 9, 255, 309 Perrin F 309 Peyrou C 309 Piccioni O 256 pion 256259, 264-265 Philippon J Planck M 9, 16-17, 19, 20-27 (constante) 17-19 (masse) 297 Platon 4,6 Poincaré H 13-15,298 (transformations) Poirier R 307 Poisson (équation) 16 Polyakov 298 Pompeia P.A 307 Pontecorvo B 259 Powell C 245, 256 Prentki J 309 Proca A 309 Ptolémée C Pulitzer 298 Pythagore 2, quark 265 Rayleigh J.W.S 16 191 316 Sources et évolution de la physique quantique R é F 61 note 33 Thalès 2, 265 renormdisation 217-218 TEVATRON accélérateur 278, 303 note Rheinboldt H 307 Thomson J.J 10, 18 Richter B 269 Ting S 268 Riemann B (espace de) 16 Tiomno J 258 RJKKEN Institut 309 Tomonaga S.I 210,275,309 h n t g e n W 10 top 268,278 Rosenbluth M 258 Turlay R 276,309 Rosenfeld L 245 "uve M 244 Russel B Uhlenbeck G 58, 78-80 Rutherford E 18,41-57,242 Uhling (effet) 210 Rydberg J.R.(constante) 19 Rydberg-Ritz (principe de combinaison) 91 unification électrofaible 275-278,279-295 Urea (procédé) 308 Sakata S 264265,309 Sakurai 258 Van de Graaff 255 SalaO 308 Van der Waals (interactions) 272 Salam A 218,255,276,297,298 Van der Waerden 193 saveur 267 Vieira d a Silva 307 Schonberg M 307 Vinci de L Schrodinger E 59,90-91,99-111,126-128, Voigt W 14 188-189,210,298 Voltaire (équation) 9%iii Waiton E 255 Schwartz M 257 Wataghin G 307 Schwinger J 210,245,275 Weil A 307 Segrè E 307 Weinberg S 218,259,276-278,279-295, SERPUKHOV laboratoire 255 297-298 SLAC laboratoire 18, 268 Weiss P 309 Sommerfeld A 17,60, 193 Weisskopf V 245 Souza Santos M.D 307 Wentzel G 249 SPEAR accélérateur 268 Weyl H 1,193,261,271,307 spin (de l'électron) 78-80 Wheeler J.A 215-216,258 SSC accélérateur 255 Wien W 16 Stammreich H 307 Wigner E 193,244,263, 276, 307 Steinberger J 257 Wick G.C 307 Stoner (règle de) 57-58 Wilson C.T.E (chambre de) 255 Stoney G 10 Wu C.S 276 Struwski F 307 Sudarshan E.C.G 258,298 Yang C.N 258,264,271,276 superfluidité 62 Yukawa H 243-245,246254,256,272,309 superposition (principe de) 126 supersymétrie 298,299-305 Zaiuar M 307 superunification 296-298 Zeeman (effet anormai) 57 supraconductivité 62 Zénon Szenes A 307 Zinn-Justin J 309 Szilard L 307 Zocher H 307 TaLetani 309 Zuber C 309 Teller E 307 Zweig S 307 ... fondamentale de la mécanique, base de la physique jusqu’à l’avènement de la mécanique quantique en 1925 L’égalité de la force la variation de la quantité de mouvement par unité de temps rendait compte la. .. :Découverte de la radioactivité 11 Chapitre : De la relativité la première quantification 2.1 La théorie de la relativité 2.2 Planck et la quantification de l’énergie... très largement au-delà de la physique, ceux qui se préoccupent de la formation des idées scientifiques, des nouveaux concepts et des théories, de la nature et du rôle de l’expérimentation, et des