Les grandes découvertes en physique

« ne font que s'auto-entretenir.

Sadi Carnot montre qu'un moteur thermique ne peut convertir la chaleur entièrement en travail : il y a néce ssairement des pertes .

Selon le second principe de la thermodynamique qui se généralise à toutes les conversions énergétiques bien que la chute d'un boulet dans l'eau élève légèrement la température de l'eau et s'accompagne de la perte d'énergie cinétique du boulet , jamais on n'observera Je phénomène inverse : l'eau se refroidir et expulser le boulet.

Cela ne contredit pas le principe de conservation de l'énergie , mais découle de la probabilité infiniment faible d'un tel événement qui n'est pourtant pas impossible strictement parlant.

Jusqu 'en 1800 , l'électricité se résumait aux phénomènes électro­statiques et le magnétisme ne concernait que les aimants .

En 1800 l'italien Volta invente la pile et ouvre tout un champ de découvertes .

Tout d'abord on découv re le courant électrique et ses effets (thermique , lumineu x, chimiques ...

).

En 1820, le Danois Œrsted montre que tout courant électrique est accompagné par un champ magnétique .

Ampère poursuit les recherches en électricité et magnétisme et montre que les deux sont effectivement liés : ainsi naît l'électro magnétisme .

En 1832 , Faraday montre expérimentalement que le mouvement d'un aimant au voisinage d'un conducteur, une bobine électrique par exemple, y engendre un courant, dit « induit ».

La réciproque est également vraie : de m ême que le mouvement d'un conducteur dans un champ magnét ique y engendre un courant induit, le mouvement d'un courant électrique dans un champ magnétique entraîne un mouvement.

Le générateur électrique et le moteur électrique étaient inventé s.

Cela allait mener à la révolution industrielle du XIX'.

Puis, en 1864, !'Écossais Ma xwell montre sur le papier qu'un champ magnétique et un champ électrique peuvent voyager ensemble, se propager à une vitesse qu'il calcule égale à environ 300 000 km/s.

Or, cette vitesse était celle que l'on avait mesurée pour la vitesse de la lumière .

La coïncidence de ces deux vitesses ne pouvait être un hasard : on venait de découvrir théoriquement que la lumière est une onde électromagnétique .

En 1887, !'Allemand Hertz découvre expérimentalement l'existence des ondes électromagnétiques .

RELATIVITÉ EINSTEINIENNE L A RELATIVITÉ REST REINTE Les découv ertes en électromagnétisme amènent une contradiction interne à la physique : la théorie électromagnétique de Maxwell se révélait incompatible avec la relativité de Galilée-Newton selon laquelle le mouvement rediligne ­ uniforme - c'est-à-dire sans accélération -est comme le repos .

Einstein était préoccupé par cette affaire .

Un deuxième problème occupait ses pensées : le phénomène d 'induction découvert par Farada y .

Le mouvement étant relatif , pour observer un courant induit, il suffit que le circuit et l'aimant bougent l'un par rapport à l'autre, peu importe lequel est fixe par rapport à l'expérimentateur .

Malgré cette symétrie et la relativit é du mouvement , la théorie électromagnétique rendait compte de l'apparition du courant induit de deux manières différentes , selon que l'aimant ou la bobine était fixe dans le référentiel du laboratoire .

Cela n 'était pas non plus satisfaisant aux yeux d'Einstein .

Les réflexions qu'il m ène sur ces sujets le conduisent à remettre en cause deux notions fondamentale s discutée s notamment par le philosophe allemand Mach : celles du temp s et de l'espace.

En effet, afin d'éliminer les incon sistance s de la physique, Einstein impose comme contrainte théorique la parfaite relativité du mouvement des référentiels inertiels (ou galiléen s, c'est à dire en mouvement rediligne ­ uniforme les uns par rapport aux autres) et aboutit en 1905 à la théorie de la « relativité restreinte » dans laquelle ni l'espace , ni le temp s ne sont absolus séparément: longu eurs et durées mesurées dépendent de l'observateur inertiel , de mêm e que la notion de simultanéité de deux événements distants).

Cela amène une autre découverte, la fameuse relation E =me ' qui indique que masse et énergie sont équivalentes.

lA RELATIVITÉ GÉNÉRALE Einstein cherche ensuite à étendre la théorie de la relativité restreinte aux mouvements accélérés et donc à la généraliser .

Ce travail aboutit à la " relativité générale », laquelle est en fait une théorie de la gravitation, différente de celle de Newton .

Avec Einst ein, l'écoulement du temps dépend de l'inten sité de la gravitation : le temps est courbe ; il en est de même de l'espace .

Einstein identifie ensuite la gravitation à la courbure de J'espace­ temp s, la masse étant une singularité de cette courbure spatio-temporelle.

Ainsi , on peut désormais parler de la matière espace-temps .

vw.mn À la fin du X IX', beaucoup de physiciens expérimentaient avec les rayons cathodiques, c'est-à-dire des faisceaux d'électrons .

On employait à cet effet des ampoules en forme de poire dont la face arrondie était recouverte sur sa partie intérieure d 'une substance phosphorescente pour révéler l'impact des électrons en provenance de la cathode chaude située à l'autre extrémité de l'ampoule.

En 1896 , Riintgen décide d'employer une tension accélératrice suffisamment forte pour qu'après impact contre la paroi , les électrons poursuivent leur chemin à traver s le verre et quittent l'ampoule .

Lorsqu 'il réalise cette expérience , il découvre qu'à chaque utilisation de son dispositif , une plaque phosphore scente située à quelques mètres s'illumine, m ême lorsqu 'il place une barrière comme plusieurs épaisseurs de livre s entre Je dispositif et la plaque .

C'était la preuve que l'impact violent des électron s contre le verre donnait naissance à des rayons invisibles très p énétrants capable d 'exciter la phosphore scence.

Rtintgen nomme ces rayons les rayon s X.

PHYSIQUE NUCLÉAIRE En 1896, Hen ri Becque rel découvre que des plaques photographiques non exposées à la lumière sont pourtant impres­sionnées si elles se trouvent à proximité de minerai s d'uranium .

C'était la découv erte de la radioactivité , ou plutôt sa redécouverte devrions -nous dire puisque Niepce de Saint Vidor avait déjà observé cela en 1858, mais sa découverte n'avait pas provoqué un fort écho .

En 1911, Rutherford et son équipe montrent que l'atome est formé d 'un noyau positif autour duquel tournent des électrons.

Aussitôt , on locali se l'origine de la radioactivité dans le noyau et la radioactivité devient un phénomène non plus atomique mais nucléaire .

Peu après, on découvre l'existence d'éléments chimiquement identiques mais de masses différen tes : les isotopes , lesquels diffèrent par leurs noyaux.

La découvert e du neutron en 1932 permet de préciser ce point : deux i soto pes d'un m ême élément possèdent le même nombre de protons dans leurs noyaux mais un nombre différent de neutron s.

Le neutron devient alors un projectile de choix pour bombarder des noyaux atomiques.

C'est ainsi que l'on découvre que sous l'impact d'un neutron , un noyau d'uranium peut fissionner et libérer de l'énergie lors de ce processu s.

C'était les premiers pas de la physique nucléair e ...

En étudiant la thermodynamique d'une enceinte vide de matière mais riche en rayonnements , Einstein note une forte analogie entre Je comportement de ce rayonnement avec celui d'un gaz, comme si le rayonnement était lui même constitué de particules .

C'est ainsi que l'idée de" grains de rayonnement » est né.

Il a fallu près de 20 ans d'étude pour confirmer cette incroyable découverte : la lumière est formée de grains, les photons.

L'ÉMISSION STIMULÉE Un atome excité se désexcite en expulsant l'énergie correspondant à la désexci tation sous forme d'un photon qu'il émet.

C'est l'émission spontanée .

En 1917 , Einstein montre un autre mode d'émission dite stimulée.

Ici l'atome ne se désexcite pas spontanément , mais il est stimulé à Je faire sous l'impact d 'un photon dont l'énergie est égale à celle de désexcitation.

Dans ce cas, le photon stimulant atteint l'atome excité et continue son voyage avec Je photon de désexcitation .

Le point fondamental est que ces deux photons sont strictement dans Je m ême état, ils sont identique s et donc leurs effets se renforcent : il y a amplification .

C'est la découverte de ce nouveau mode de désexcitation atomique qui est en œuvre dans tous les la se rs dont l'acronyme signifie Amplification de lumière par émission stimulée de rayonnement.

La notion d'atome qui date de !'Antiquité et qui étymologiquement signifie" insécable » n 'a été confirmée qu'au début du XX' siècle.

L'histoire démarre dans les années 1820 .

En 1827 , le botani ste anglais Brown découvre au microscope que des grains de pollen dans une goutte d 'eau sont animés d'un mouvement incessant et désordonné que l'on appelle depuis le « mouvement brownien ».

Einstein établit la théorie de ce mouvement en admettant que l'eau est formée de grains -les molécules d 'eau -dont la preuve de l'existence manquait encore au début du XX' siècle.

Dans cette théorie , les molécules d 'eau sont en perpétuelle agitat ion en raison de la température du liquide .

Leurs chocs et rebonds contre les grains de pollen bousculent ces derniers au hasard dans un sens puis un autre, encore un autre et les animent de manière désordonnée .

Vers 1910 , lHn Perri n vérifie expérimentalement quelques unes des prévisions théoriques de Einstein.

Ainsi , c'est la découverte du mouvement brownien qui finit par apporter la preuve de l'existence des atomes.

SUPRACONDUCTIVITÉ Au début du XX' siècle , beaucoup de physiciens s'intéressaient aux propriétés de la matière à très basse température .

Des températures aussi basse s que -270 °C étaient disponibles (avec l'hélium liquide ) en 1910 .

En 1911, Je Danoi s Kamerlingh Onne s étudie la variation de la résistivité du mercure avec la température.

Il découvre qu'à -269 °C, cette résistivité devient égale à zéro, autrement dit le métal devient un parfait conducteur, un supra condudeu r ! À partir de cette date , on cherche à mettre au point des matériaux capables de passer à l'état supraconducteur à des températures de plus en plus élevées .

Au début des années 1980, la température de supraconduction la plus élevée était de -250 °C et les physiciens pensaient que ce phénomène n'était pas possible au­ dessus de -240 °C.

Cependan~ contre toute attente , en 1987 on découvr e que cela est possible avec la mise au point des supraconducteurs dits haute température , des céramiques à base d'oxydes de cuivre additionné d 'yttr ium et de baryum que l'on désigne par YbaCuO .

Aujourd 'hui la température de supraconduction la plus élevée est voisine de -130 °C.. »