382 lines
55 KiB
TeX
382 lines
55 KiB
TeX
\myclearpage
|
|
|
|
\chapter{Introduction}
|
|
\lettrine{C}{ette introduction} présente en premier lieu l'incontournable notion de temps\index{temps@temps} qui donne à la physique toute sa mesure. Elle extrait du temps commun les cycles particuliers qui ont longtemps rythmé nos vies pour finalement revenir au temps commun si particulier au mouvements des horloges atomiques et des quartz.
|
|
|
|
Puis, elle souligne le fait que ce mouvement qui nous rythme est toujours celui d'un corps et qu'il ne prend sens que dans le cadre de la description de ce qu'on appelle une structure\index{structure@structure}. Car il est important de marquer que le mouvement n'a lieu que par rapport à une référence, c'est-à-dire par rapport à d'autres corps. Ainsi, tant le mouvement que l'étude du mouvement ne peuvent-ils plus être absolus. L'idée newtonienne de mouvement absolu\index{absolu@absolu} a fait la place à la relativité\index{relativite@relativité} et l'étude du mouvement des objets doit être placée au sein des différentes structures connues de l'univers. De ce fait, on se rend mieux compte que le mouvement est partout et qu'après la perception des choses, il est naturel de s'attarder à la compréhension des mouvements.
|
|
|
|
Enfin, elle montre que la description des mouvements des corps est une étape préliminaire à l'étude des causes du mouvement et à la prédiction de leur évolution. On y voit que la description des divers mouvements que l'on peut aborder n'est pas simple parce que les types de mouvements sont nombreux et que les différentes manières de les décrire sont très variées.
|
|
|
|
\section{Du temps}
|
|
Le temps qui nous rythme aujourd'hui si précisément n'est pas issu d'une évidence. A l'origine, il est évidemment la marque de répétitions qui peuvent sembler l'être, mais qui bien vite ont présenté des périodes très complexes.
|
|
|
|
Qui dit périodes dit donc mouvement et, plus précisément, mouvement répétitif. En premier lieu il y a le mouvement de la Terre sur elle-même, ou plutôt, n'en déplaise à Copernic, le mouvement du Soleil \og autour\fg{} de la Terre. Ce mouvement définit évidemment la durée d'un jour. Puis, il y a le mouvement de la Lune dont la période d'environ trente jours définit le mois. Enfin, il y a la succession des saison qui définit l'année, d'une durée de 365 jours. Celle-ci correspond à la période de rotation de la Terre autour du Soleil.
|
|
|
|
\section{De l'infiniment grand à l'infiniment petit}
|
|
|
|
\subsection{L'Univers\index{univers@univers}}
|
|
\begin{figure}[t]
|
|
\centering
|
|
\caption[L'univers profond]{L'univers profond\label{universprofond} \par \scriptsize{Image du télescope spatial Hubble\endnote{Voir le site du télescope spatial Hubble~: \url=http://hubble.nasa.gov/multimedia/astronomy.php= notamment pour le copyright de l'image. Remerciements à la NASA.}}}
|
|
\includegraphics[width=7cm]{universprofond.eps}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
La plus grande structure connue est l'univers. La taille de l'univers observable est estimée à environ \SI{43}{\mega\lightyear}, soit \num{43} milliards d'années lumière. Sa composition est analogue à une sorte de gaz dont les particules seraient réparties uniformément dans le volume qui le contient. Sauf que de contenant il n'y a pas et que les particules sont des super-amas\index{super@super!amas} de galaxies dont la taille ne dépasse pas \numrange{200}{300} millions d'années lumière. Leur nombre dans l'univers est estimé à \num{10} millions.
|
|
|
|
Les super-amas de galaxies sont des amas d'amas de galaxies. C'est au niveau de ces super-amas de galaxies que l'univers apparaît assez homogène bien que constitué aussi d'une structure filamenteuse. L'ordre de grandeur de telles structures est de \SI{100}{\mega\parsec} soit \SI{3e24}{\metre} pour les super-amas de galaxies, voire \SI{150}{\mega\parsec} soit \SI{5e24}{\metre} pour les filaments.
|
|
|
|
L'univers est en expansion\index{expansion@expansion}, ce qui signifie qu'il s'agrandit. Selon les dernières mesures effectuées par les astrophysiciens, sa forme serait plate\footnote{Voir l'article \og Quelle est la forme de l'univers\fg{}, Science et Vie junior, avril 2001}. Qu'est-ce que cela signifie pour un univers qui est manifestement un volume ? En fait, cela veut dire qu'on peut se l'imaginer comme une feuille de papier dont les dimensions augmenteraient indéfiniment. Nous serions alors des êtres à deux dimensions incapables de se déplacer ailleurs que sur cette feuille. En particulier incapables d'en sortir. Cette feuille s'étendrait donc dans une (troisième) dimensions inaccessible pour nous. Ainsi, notre univers à trois dimensions s'étend dans une dimension supplémentaire qui nous est inaccessible (c'est-à-dire qu'on ne peut s'y déplacer librement), une quatrième dimension\index{dimension@dimension}, le temps\index{temps@temps}.
|
|
|
|
\begin{figure}[t]
|
|
\centering
|
|
\caption[Modèles de courbure]{Modèles de courbure\label{modeledecourbure} \par \scriptsize{Trois modèles issus de la relativité générale\endnote{Voir le site de l'encyclopédie Wikipedia~: \url=http://fr.wikipedia.org/wiki/Image:End_of_universe.jpg= notamment pour le copyright de l'image. Remerciements à la NASA.}}}
|
|
\includegraphics[width=6cm]{End_of_universe.eps}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
\begin{figure*}[t]
|
|
\fbox{
|
|
\begin{minipage}{16cm}
|
|
\begin{minipage}[b]{9cm}
|
|
\textbf{Giordano Bruno (1548-1600)\index{Giordano@Giordano!Bruno}}
|
|
|
|
\medskip
|
|
Un grand homme rebelle qui eut le malheur d'avoir raison avant les autres. Pour lui les étoiles étaient des soleils pareils au nôtre. Dans L'Infini\index{infini@infini}, Bruno s'adresse à lui-même en ces mots~:
|
|
\begin{quotation}
|
|
\og \textit{Enseigne-nous que la composition de notre astre et monde est égale à d'autant d'astres et de mondes qu'il nous est possible de voir. [\dots] Montre-nous que la substance des autres mondes dans l'éther est pareille à celle de notre monde.}\fg{}
|
|
|
|
\cite[p. 42.]{JR00}
|
|
\end{quotation}
|
|
\smallskip
|
|
Giordano Bruno fut brûlé vif en 1600, pour avoir, sur la base d'une analyse du mouvement de la terre qui annonce la relativité restreinte\index{relativite@relativité!restreinte} de Galilée, remis en cause sa fixité et la finitude de l'univers.
|
|
|
|
\raggedleft{\footnotesize{Portrait de Giordano Bruno tiré de Wikipedia\endnote{Voir le site de l'encyclopédie Wikipedia~: \url=http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Giordano_Bruno.jpg=}}}
|
|
\end{minipage}
|
|
\hfill
|
|
\parbox[b]{6cm}{\includegraphics[width=6cm]{Giordano_Bruno.eps}}
|
|
\end{minipage}
|
|
}
|
|
\end{figure*}
|
|
|
|
\begin{figure*}[t]
|
|
\centering
|
|
\caption[L'évolution du Soleil]{L'évolution du soleil\label{evosol} \par \scriptsize{Vers une nébuleuse planétaire\endnote{Voir le site de l'encyclopédie wikipedia~: \url=http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Vie_du_soleil.jpg=}}}
|
|
\includegraphics[width=14cm]{Vie_du_soleil.eps}
|
|
\end{figure*}
|
|
|
|
Il y a peu de cela (quelques année seulement) une autre solution semblait être possible. L'univers, selon les modèles des cosmologistes\index{cosmologie@cosmologie} (physiciens étudiant l'univers), aurait pu être une sphère. On aurait donc pu le voir comme un ballon, enflant comme la grenouille qui voulait se faire aussi grosse qu'un b\oe uf, sur lequel on aurait posé des amas de galaxies en deux dimensions (c'est le nombre de dimensions\index{dimension@dimension} correspondant à la surface d'un ballon puisque tout point de la surface d'une sphère peut être repéré par deux coordonnées\index{coordonnee@coordonnée}~: la longitude\index{longitude@longitude} et la latitude\index{latitude@latitude}. Voir annexe \ref{latitude}). Ainsi notre univers aurait été un ballon avec une surface tridimensionnelle enflant dans une quatrième dimension, le temps.
|
|
|
|
En réalité, les choses sont plus complexes encore, puisqu'aujourd'hui les physiciens envisagent cet univers dans une dizaine de dimensions\footnote{Voir \og Sur la piste des mondes parallèles\fg{}, Science et Vie, Juillet 2002.}. Ils laissent supposer aussi l'existence de plusieurs univers parallèles, dits univers bulles\index{univers@univers!bulle}.
|
|
|
|
\subsection{Les amas de galaxies}
|
|
\begin{figure}[t]
|
|
\centering
|
|
\caption[Groupe local]{Groupe local\label{localesgalaxies} \par \scriptsize{Les galaxies proches\endnote{Voir le site de l'encyclopédie Wikipedia~: \url=http://fr.wikipedia.org/wiki/Accueil= notamment pour le copyright de l'image. Remerciements à son auteur Greg Goebel.}}}
|
|
\includegraphics[width=6cm]{Groupelocal.eps}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
Viennent ensuite les amas de galaxies\index{amas@amas!de galaxies}. Leur nombre dans l'univers est estimé à \num{25} milliards. La répartition de ces amas de galaxies n'est pas homogène, contrairement à celle des super-amas de galaxies. Cette répartition est celle de filaments qui laissent apparaître des zones plus ou moins denses d'amas de galaxies.
|
|
|
|
Cette répartition est complexe et encore sujette à de nombreuses discussions. En particulier elle est l'objet d'études approfondies en relation avec la naissance de l'univers\index{univers@univers}. En effet, il est difficile d'expliquer comment, à partir des conditions homogènes propres au big-bang\index{big@big!bang}, sont nées des structures aussi particulières. La figure \ref{universprofond} montre ce que l'on peut voir au-delà des étoiles de notre galaxie. Sur la photo de cette \og petite\fg{} partie de l'espace ne figurent que des galaxies. Leur nombre et leur diversité sont saisissants. La figure \ref{localesgalaxies} montre quant à elle le groupe local dans lequel se trouve notre galaxie la Voie Lactée. Il s'agit d'un amas de galaxies.
|
|
|
|
\subsection{Les galaxies\index{galaxie@galaxie}}
|
|
\begin{figure}[t]
|
|
\centering
|
|
\caption[Galaxie du Sombrero]{Galaxie du Sombrero\label{galaxies} \par \scriptsize{Image du télescope spatial Hubble\endnote{Voir le site du télescope spatial Hubble~: op cit. Remerciements à la NASA.}}}
|
|
\includegraphics[width=6cm]{Sombrero.eps}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
Au nombre d'environ trois cent cinquante milliards dans l'univers, les galaxies\index{galaxie@galaxie} sont des structures composées de centaines de milliards d'étoiles\index{etoile@étoile} qui se regroupent sous l'effet de la force de gravitation\index{gravitation@gravitation}. Dans l'espace interstellaire\index{espace@espace!interstellaire} constituant le \og vide\fg{} autour des étoiles se trouvent aussi des nuages de poussières et de gaz (des nébuleuses\index{nebuleuse@nébuleuse}).
|
|
|
|
A cette échelle, les mouvements des galaxies sont perceptibles. Presque toutes s'éloignent de nous. Ce phénomène est appelé \og expansion\index{expansion@expansion}\fg. Il est interprété comme un mouvement dû au \og gonflement\fg{} de l'univers\index{univers@univers} lui-même. Le mouvement local des galaxies\index{galaxie@galaxie} étant faible par rapport à celui général de l'expansion\index{expansion@expansion} de l'univers, il est rare de voir des galaxies se rapprocher de nous. Pourtant, cela est le cas de la très fameuse (parce qu'observable à l'\oe il nu et la plus proche galaxie massive (autre que naine) de nous) galaxie d'Andromède\index{Andromede@Andromède}.
|
|
|
|
\begin{figure*}[t]
|
|
\centering
|
|
\caption[Interaction de deux galaxies]{Interaction de deux galaxies\label{choc} \par \scriptsize{Image du télescope spatial Hubble\endnote{Voir le site du télescope spatial Hubble~: ibid. Remerciements à la NASA.}}}
|
|
\includegraphics[width=14cm]{HubbleChienChasse.eps}
|
|
\end{figure*}
|
|
|
|
Les mouvements locaux des galaxies entre elles donnent lieu à des \og chocs\fg{}\index{choc@choc!galactique} spectaculaires entre galaxies. Le résultat est par exemple le système des deux galaxies dites des \og Chiens de chasse\fg{} ou sur la figure \ref{choc} \og la grande spirale NGC 2207\fg{} (à gauche), située à 114 millions d'années-lumière de la terre, étendant et disloquant sur plusieurs centaines de milliers d'années-lumière la \og petite IC2163\fg{} en longs filaments de \og gaz et de poussières\fg{}.
|
|
|
|
\subsection{Les étoiles\index{etoile@étoile}}
|
|
Les galaxies sont donc composées d'étoiles. Plus de 100 milliards pour la Voie Lactée\index{Voie@Voie!Lactée}, la galaxie\index{galaxie@galaxie} dans laquelle nous nous trouvons. Environ \num{30000} milliards de milliards pour l'univers en entier.
|
|
|
|
Ces étoiles sont plus ou moins grandes. Les plus grosses ont une masse d'une centaine de fois la masse de notre étoile, celle autour de laquelle nous nous déplaçons qui se nomme le Soleil\index{Soleil@Soleil}. C'est une étoile de taille petite à moyenne. Le destin de notre étoile (voir figure \ref{evosol}) est d'enfler considérablement pour devenir une géante rouge\index{geante@géante!rouge} et ensuite de s'effondrer en laissant ses couches extérieures en périphérie et en concentrant ses couches intérieures en une naine blanche\index{naine@naine!blanche}, puis une naine noire\index{naine@naine!noire}. Le résultat présente l'allure spectaculaire (voir figure \ref{planetaire}) de la \og nébuleuse planétaire\index{nebuleuse@nébuleuse!planétaire}\fg{}.
|
|
Pour les étoiles bien plus grosses que le Soleil, dont la masse m est telle que \(1,4\cdot m_{soleil}<m<5\cdot m_{soleil}\), l'évolution change. L'étoile commence par \og gonfler\fg{} pour devenir une géante rouge\index{geante@géante!rouge}, puis une super-géante\index{supergeante@supergéante} qui explose de manière fracassante en une supernovae\index{supernovae@supernovae} pour ne laisser finalement qu'une étoile à neutrons\index{etoile@étoile!à neutrons}. Enfin, pour les très grosses étoiles, dont la masse m est telle que \(m>5\cdot m_{soleil}\), l'évolution est la même que précédemment jusqu'à la supernov\ae. Après les restes sont si denses qu'il se crée un trou noir\index{trou@trou!noir}.
|
|
|
|
Le destin et l'évolution des étoiles est donc une chose complexe, d'autant plus que les différents éléments répertoriés dans le tableau périodique\index{tableau@tableau!périodique} de Mendeleïev\index{Mendeleiev@Mendeleïev} ont été créés au sein des étoiles. Si la physique de ces constructions dépasse le propos de ce cours, il en sera dit quelques mots au paragraphe \ref{subsectionsubatomique}.
|
|
|
|
\begin{figure}
|
|
\centering
|
|
\caption[Nébuleuse planétaire]{Nébuleuse planétaire\label{planetaire} \par \scriptsize{Image du télescope spatial Hubble\endnote{Voir le site du télescope spatial Hubble~: ibid. Remerciements à la NASA.}}}
|
|
\includegraphics[width=6cm]{NebuleusePlanetaire.eps}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
\subsection{Le système solaire\index{systeme@système!solaire}}
|
|
% la commande ci-dessous est nécessaire car on a des % dans l'url
|
|
\urldef\extrasol\url{http://fr.wikipedia.org/wiki/Plan%C3%A8tes_extrasolaires}
|
|
|
|
Autour des étoiles qui composent notre galaxie tournent des planètes\index{planete@planète} (actuellement plus de deux cent planètes extra-solaires\index{planete@planète!extrasolaire} ou exoplanètes\index{exoplanete@exoplanète} ont été découvertes\endnote{Voir~: \extrasol{}} ; voir aussi \cite{FC05}).
|
|
|
|
La première exoplanète découverte l'a été en 1995 par l'observatoire de Genève. Elle l'a été par des moyens indirects, comme la plus part de celles qui ont été découvertes par la suite. Essentiellement, il s'agit d'étudier finement la vitesse de déplacement des étoiles autour desquelles les exoplanètes tournent. Si ce déplacement est saccadé, cela traduit la présence d'un corps en rotation autour d'elles. Une autre méthode consiste à observer des variations périodiques de l'intensité lumineuse des étoiles caractéristiques du passage d'une exoplanète devant elles.
|
|
|
|
\begin{figure}[t]
|
|
\centering
|
|
\caption[Première exoplanète]{Première image d'une exoplanète\label{2M1207} \par \scriptsize{Il s'agit d'une image dans le proche infrarouge. La planète est en bas à droite. Image de Hubble\endnote{Voir le site de Hubble~: \url=http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2005/03/image/a/=}}}
|
|
\includegraphics[width=6cm]{2M1207.eps}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
En 2005, soit dix ans après, la première image d'une exoplanète (voir figure \ref{2M1207}) a été réalisée par le VLT (Very Large Telescope). Il s'agit de la naine brune 2M1207, une étoile avortée faiblement lumineuse, autour de laquelle tourne une exoplanète d'environ cinq fois la masse de Jupiter, à une distance deux fois plus importante que celle de Neptune autour de notre étoile, le Soleil.
|
|
|
|
Le 13 novembre 2008, une seconde planète a été observée en lumière visible dans la constellation australe du Poisson autour de l'étoile Fomalhaut. C'est une planète d'environ trois fois la masse de Jupiter et elle se trouve à environ dix fois la distance entre le soleil et saturne de son étoile Fomalhaut.
|
|
|
|
\smallskip
|
|
Autour de notre étoile, le Soleil\index{Soleil@Soleil} tournent huit planètes (MVTMJSUN \dots) et d'autres corps plus petits parmis lesquels se trouvent des planètes dites naines. Cérès (dans la ceinture d'astéroïde\index{ceinture@ceinture!d'astéroïde}), Éris (un tout petit peu plus grande que Pluton et qui fait partie de la ceinture de Kuiper\index{ceinture@ceinture!de Kuiper}, au-delà de l'orbite de Neptune) et Pluton en font partie. La figure \ref{systemesolaire} présente le système solaire sans respecter les ordres de grandeurs.
|
|
|
|
\begin{figure*}[t]
|
|
\centering
|
|
\caption[Système solaire]{Système solaire\label{systemesolaire} \par \scriptsize{Image de la Nasa\endnote{Voir le site de l'encyclopédie wikipedia~: \url=http://fr.wikipedia.org/wiki/Image:Solar_sys.jpg= Remerciements à la NASA.}}}
|
|
\includegraphics[width=14cm]{Systemesolaire.eps}
|
|
\end{figure*}
|
|
|
|
La rotation des planètes se fait dans un seul plan que l'on nomme le plan de l'écliptique\index{ecliptique@écliptique}. Relativement à la Terre, ce plan est décrit par l'orbite du soleil. La nuit, c'est donc le long de la trajectoire du Soleil qu'on peut voir certaines planètes\index{planete@planète}. Car, si certaines sont visibles en pleine nuit, d'autres ne le seront jamais. C'est le cas, par exemple, de Vénus\index{Venus@Vénus}. C'est une planète qui tourne près du Soleil. Elle tourne aussi à l'intérieur du cercle (en réalité c'est une ellipse\index{ellipse@ellipse} quasiment circulaire) que décrit la Terre sur sa trajectoire\index{trajectoire@trajectoire} (on parle de l'orbite\index{orbite@orbite} de la Terre et on parle de planète interne). C'est pourquoi, depuis la Terre, nous ne la verrons que dans le voisinage du Soleil. Ainsi, on peut la voir le matin avant que le soleil se lève (on l'appelle alors l'Étoile du matin\index{etoile@étoile!du matin}) ou le soir, peu de temps après que le Soleil se soit couché (elle porte alors le nom d'Étoile du soir\index{etoile@étoile!du soir}), mais pas au cours de la nuit. Les planètes se divisent en trois groupes~: les quatre planètes dites telluriques\index{planete@planète!tellurique} sont celles qui sont le plus proche du soleil. Elles sont petites, solides et relativement semblables à la Terre. Les quatre planètes dites joviennes\index{planete@planète!jovienne} sont, à l'image de Jupiter\index{Jupiter@Jupiter}, très grosses et gazeuses. Enfin, à partir de Pluton\index{Pluton@Pluton}, les corps sont très petits, très éloignés et ne sont plus considérés comme des planètes (même si on parle de planètes naines). La figure \ref{lesplanetes} présente les planètes en respectant les ordres de grandeurs de leurs tailles respectives.
|
|
|
|
% la commande ci-dessous est nécessaire car on a des % dans l'url
|
|
\urldef\planete\url{http://fr.wikipedia.org/wiki/Image:Portrait_de_famille_%281_px_%3D_1000_km%29.jpg}
|
|
\begin{figure*}[t]
|
|
\centering
|
|
\caption[La taille des planètes]{La taille des planètes\label{lesplanetes} \par \scriptsize{Image de la Nasa\endnote{Voir le site de l'encyclopédie~: \planete{} Remerciements à la NASA.}}}
|
|
\includegraphics[width=14cm]{Lesplanetes.eps}
|
|
\end{figure*}
|
|
|
|
Il existe encore d'autres corps importants dans le système solaire~: les \emph{comètes}\index{comete@comète} (voir figure \ref{comete}). Ce sont de très petits corps (quelques dizaines de kilomètres de diamètre) qui viennent de régions très éloignées du système solaire (le nuage de Oort\index{nuage@nuage!de Oort}~: \og il s'agirait d'une vaste enveloppe de corps orbitant entre \SI{40000}{\astronomicalunit} et \SI{150000}{\astronomicalunit} (\SI{0,73}{pc}) de distance du Soleil, et donc située bien au-delà de l'orbite des planètes et de la ceinture de Kuiper\fg{}\endnote{voir~: \url=http://fr.wikipedia.org/wiki/Nuage_de_Oort=}) et qui, pour ainsi dire, tombent sur le Soleil selon une trajectoire très elliptique\index{elliptique@elliptique}.
|
|
|
|
En passant elles laissent sur leur orbite\index{orbite@orbite} une traînée de poussières qui se manifeste sous la forme d'une magnifique queue. Celle-ci est produite par le vent solaire qui emporte les éléments à la surface de la comète. La direction de la queue est donc toujours à l'opposé du soleil et peu être perpendiculaire à la trajectoire de la comète. La figure \ref{billetcomete} présente pourtant un billet de banque suisse sur lequel est représenté une comète dont la queue ne pointe pas à tort vers le soleil.
|
|
|
|
\begin{figure}[t]
|
|
\centering
|
|
\caption[La taille des planètes]{La queue de la comète\label{billetcomete}}
|
|
\includegraphics[width=6cm]{Billet10FrsComete.eps}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
Ce sont ces traînées de poussières que la Terre rencontre sur son orbite\index{orbite@orbite} en donnant lieu aux fameuses pluies d'étoiles filantes\index{etoile@étoile!filante} (voir la figure \ref{Leonides} qui montre une observation des Léonides. \og Les léonides sont causées par le passage d'une comète, la comète Tempel-Tuttle qui a une période de 33 ans. À chaque passage, la comète laisse une trainée de débris rocheux qui forme un essaim que la Terre traverse tous les ans aux environs du mois de novembre. Le radian\index{radian@radian} étant situé dans la constellation du Lion, on appelle donc les météores\index{meteor@météore} « Léonides »\index{Leonides@Léonides}.\fg{}\endnote{Voir \url=http://fr.wikipedia.org/wiki/Leonides=}). Il s'agit de petites météorites qui se consument en entrant dans l'atmosphère en produisant une trace lumineuse, \emph{les étoiles filantes}. Elles ne sont donc ni des étoiles, ni des planètes ou des comètes\index{comete@comète}. Dans le cas des pluies d'étoiles filantes crées par la rencontre de la terre avec les poussières de l'orbite d'une comète, elles semblent provenir d'un point bien précis dans le ciel, comme la neige qui tombe sur le pare-brise d'une voiture semble venir d'un point situé dans la direction du déplacement de la voiture. Ce point se nomme le radian\index{radian@radian}.
|
|
|
|
\begin{figure}[h!t]
|
|
\centering
|
|
\caption[Une comète]{Une comète\label{comete} \par \scriptsize{Image du télescope spatial Hubble\endnote{Voir le site du télescope spatial Hubble~: ibid. Remerciements à la NASA.}}}
|
|
\includegraphics[width=6cm]{comete.eps}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
\begin{figure}
|
|
\centering
|
|
\caption[Étoiles filantes]{Pluie d'étoiles filantes des Léonides\label{Leonides} \par \scriptsize{Leonid Meteor Strom, as seen over North America in the night of November 12./13., 1833.\endnote{Voir le site de l'encyclopédie wikipedia~: \url=http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Leonid_Meteor_Storm_1833.jpg=}}}
|
|
\includegraphics[width=6cm]{Leonid_Meteor_Storm_1833.eps}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
\subsection{La Terre et la Lune\index{Terre@Terre}\index{Lune@Lune}}
|
|
\subsubsection{La Terre}
|
|
On sait aujourd'hui que la Terre tourne autour du Soleil\index{Soleil@Soleil} et sur elle même. Ainsi, lorsqu'on regarde le ciel depuis la Terre, la voûte céleste semble tourner au cours de la nuit. Les étoiles\index{etoile@étoile} se lèvent au sud-est, pour aller se coucher au sud-ouest. Mais au nord, la situation est différente. En effet, l'Étoile Polaire\index{etoile@Étoile!Polaire} ne tourne pas et les étoiles alentours semblent tourner autour d'elle. La Grande Ourse\index{Grande@Grande!Ourse}, notamment, reste toujours visible au voisinage de la Polaire. C'est une manifestation du fait que la direction de l'axe de rotation\index{axe@axe!de rotation} de la Terre est fixe dans l'espace. Pointer la Polaire du doigt est donc une façon de s'imaginer cet axe. Le fait que l'axe de rotation de la Terre reste fixe permet aussi d'expliquer le phénomène des saisons\index{saison@saison} autrement que par la variation de distance Terre-Soleil au cours de l'année\index{annee@année}. Cette variation, souvent considérée comme l'explication des saisons, vient du caractère elliptique de l'orbite de la Terre autour du Soleil. Mais, elle ne peut en réalité servir d'explication car l'orbite\index{orbite@orbite} de la Terre autour du Soleil est pratiquement un cercle, parce qu'il y aurait alors deux mêmes saisons par année et parce que celle-ci seraient identiques dans les deux hémisphères.
|
|
|
|
\begin{figure*}[t]
|
|
\centering
|
|
\caption[Les saisons]{Les saisons\label{saisonsperso} \par \scriptsize{Elles sont dues à l'inclinaison de l'axe de rotation de la terre par rapport au plan de l'écliptique.}}
|
|
\includegraphics[width=12cm]{SaisonsPerso.eps}
|
|
\end{figure*}
|
|
|
|
L'explication correcte vient de l'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre par rapport au plan de l'écliptique\index{ecliptique@écliptique} et de la permanence de sa direction dans l'espace (voir figure \ref{saisonsperso} ou l'angle \(\alpha\simeq \ang{66,5}\)). En effet, comme cet axe n'est pas perpendiculaire au plan écliptique\index{ecliptique@écliptique}, l'un des deux hémisphères\index{hemisphere@hémisphère} est plus \og exposé\fg{} aux rayons du soleil que l'autre, ses rayons frappant plus perpendiculairement sa surface. Ainsi, comme le montre la figure \ref{pointingsaisons}, pour l'hémisphère sud, par exemple, la même quantité d'énergie E parvient sur une surface S' plus petite que S pour l'autre hémisphère où les rayons sont plus rasant. L'énergie par unité de surface E/S' dans l'hémisphère sud est donc plus importante que celle E/S dans le nord. C'est l'été dans l'hémisphère sud.
|
|
|
|
De plus, on ne peut comprendre que les saison\index{saison@saison} soient différentes dans les deux hémisphères qu'avec un axe de rotation pointant toujours dans la même direction. Car ainsi, chaque hémisphère est tous les six mois éclairé par un soleil haut dans le ciel qui lui transmet un maximum d'énergie. Ce comportement de l'axe de rotation de la Terre est analogue à celui d'une toupie\index{toupie@toupie} dont l'axe reste vertical pendant qu'elle tourne, alors qu'il ne peut le rester quand elle est immobile. La physique explique la fixité de cet axe à travers un loi de \og conservation du moment cinétique\fg{} valable si aucune force extérieure ne s'exerce sur le système. Bien évidemment ce n'est pas tout à fait le cas pour la Terre et il faut admettre une légère variation de la direction de son axe de rotation. Mais il serait trop long ici de développer cet aspect.
|
|
|
|
\begin{figure}[t]
|
|
\centering
|
|
\caption[Les saisons]{Les saisons\label{pointingsaisons} \par \scriptsize{Répartition de l'énergie à la surface de la terre.}}
|
|
\psfrag{Nord}{Nord}
|
|
\psfrag{Sud}{Sud}
|
|
\psfrag{Terre}{Terre}
|
|
\psfrag{E}{E}
|
|
\psfrag{S}{S}
|
|
\psfrag{S'}{S'}
|
|
\psfrag{S>S'}{\(S>S'\;\Rightarrow\;\frac{E}{S}<\frac{E}{S'}\)}
|
|
\includegraphics[width=6cm]{PointingSaisons.eps}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
\begin{figure}[t]
|
|
\centering
|
|
\caption[La terre et la lune]{La terre et la lune\label{terrelune} \par \scriptsize{Image de la Nasa\endnote{Voir le site de l'encyclopédie Wikipedia~: \url=http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Moon_Earth_Comparison.png=. Remerciements à la NASA.}}}
|
|
\includegraphics[width=6cm]{Terrelune.eps}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
\subsubsection{La Lune}
|
|
Finissons ce petit voyage dans le monde céleste en parlant de la Lune. La figure \ref{terrelune} montre le rapport de taille entre la Lune et la Terre, ainsi que les différences d'aspect de leur surface.
|
|
|
|
Il peut sembler au premier abord que le mouvement de la Lune est simple. En effet, elle gravite sur une ellipse (on la voit donc parfois un peu plus grosse et parfois un peu plus petite~: au périgée\index{perigee@périgée} où la distance terre-lune est de \SI{3,654e8}{\metre}, son diamètre apparent\index{diametre@diamètre!apparent} est de \ang{;33,5;} et à l'apogée\index{apogee@apogée} où la distance vaut \SI{4,067e8}{,metre}, son diamètre apparent vaut \ang{;29,3;}, soit \(\sim\) 10\% de la distance moyenne) en un mois environ. La variation apparente de sa taille, ainsi que de celle du soleil due à la trajectoire elliptique que suit la terre et qui oscille entre \ang{;31,5;} et \ang{;32,5;}, expliquent l'allure des différentes éclipses de Soleil. Quand la Lune est éloignée de la Terre, elle ne cache pas tout le disque solaire et l'éclipse présente un anneau de lumière autour de la Lune, on parle alors d'éclipse annulaire\index{eclipse@éclipse!annulaire}. Par contre, quand la Lune est proche de la Terre, son diamètre apparent est plus grand et la Lune couvre tout le disque solaire. On parle alors d'éclipse totale\index{eclipse@éclipse!totale}.
|
|
|
|
Mais pour comprendre vraiment ce qu'est une éclipse, il faut d'abord expliquer les phases\index{phase@phase!lunaire} de la Lune. Elles sont la conséquence du fait qu'une moitié de la Lune n'est pas éclairée.
|
|
|
|
Ainsi, quand la Lune nous présente cette moitié non éclairée, on ne la voit pas. C'est la Lune Noire\index{Lune@Lune!Noire} ou Nouvelle Lune\index{nouvelle@Nouvelle!Lune}. Comme la Lune est alors pratiquement entre la Terre et le Soleil, seules les personnes qui se trouvent du côté jour de la Terre pourraient la voir. Or, quand il fait jour, le Soleil éclaire l'atmosphère qui nous cache alors les corps célestes.
|
|
|
|
Quand la Lune nous présente simultanément la moitié de sa partie non éclairée et la moitié de sa partie éclairée, on voit ce qu'on appelle une demi-Lune. En réalité on voit un quart de la Lune. C'est le Premier Quartier\index{quartier@quartier!lunaire}.
|
|
|
|
Quand la Lune ne nous présente plus que sa partie éclairée, elle est alors \og derrière\fg{} la Terre par rapport au Soleil, on ne voit plus sa partie non éclairée~: c'est la pleine Lune, environ deux semaines après la Nouvelle Lune.
|
|
|
|
Enfin, la Lune se présente une nouvelle fois en demi-Lune, c'est-à-dire qu'on en voit que l'autre quart. C'est le Dernier Quartier.
|
|
|
|
La figure \ref{phasesdelalune} résume la situation décrite ci-dessus.
|
|
|
|
\begin{figure*}[t]
|
|
\centering
|
|
\caption[Les phases de la lune]{Les phases de la lune\label{phasesdelalune} \par \scriptsize{Ce n'est pas l'ombre de la terre\endnote{Voir le site de l'encyclopédie~: \url=http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:TerreOrbiteLuneEtPhases.png=}}}
|
|
\includegraphics[width=14cm]{TerreOrbiteLuneEtPhases.eps}
|
|
\end{figure*}
|
|
|
|
La question se pose alors de la différence entre éclipse de Soleil\index{eclipse@éclipse!solaire} et Nouvelle Lune\index{nouvelle@nouvelle!lune} et éclipse de Lune\index{eclipse@éclipse!lunaire} et Pleine Lune\index{pleine@pleine!Lune}. En effet, si la Lune tournait dans le plan de l'Écliptique\index{ecliptique@écliptique}, il se produirait une éclipse de Soleil chaque Nouvelle Lune et une éclipse de Lune chaque Pleine Lune. Comme on sait bien que ce n'est pas le cas, cela signifie que la Lune ne tourne pas dans le même plan que celui de l'Écliptique. En réalité le plan de rotation de la Lune fait un angle de \ang{5;17;} par rapport à l'Écliptique comme le montre la figure \ref{Orbite-lune-soleil}.
|
|
|
|
\begin{figure}
|
|
\centering
|
|
\caption[Orbites de la lune et du soleil]{Orbites de la lune et du soleil\label{Orbite-lune-soleil} \par \scriptsize{Des plans différents\endnote{Voir le site de l'encyclopédie Wikipedia~: \url=http://fr.wikipedia.org/wiki/Image:Orbite-lune-soleil.png=}}}
|
|
\includegraphics[width=6cm]{Orbite-lune-soleil.eps}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
Comme ces plans ne coïncident pas, tant que la Lune n'est pas dans le plan de l'Écliptique\index{ecliptique@écliptique}, c'est-à-dire sur la ligne des n\oe uds\index{ligne@ligne des n\oe uds} présentée dans la figure \ref{Orbite-lune-soleil}, il ne peut y avoir d'éclipse. Or, la Lune coupe le plan de l'Écliptique deux fois par mois. Mais encore faut-il que la ligne des n\oe uds soit alors alignée avec le Soleil. Il faut dire aussi que le plan de rotation de la Lune tourne sur lui-même entraînant la ligne des n\oe uds avec lui. Sa période de rotation est de \SI{18,61}{\year}. Ainsi, la ligne des n\oe uds tourne sur elle-même d'un angle de \(\sim\) \ang{19,6} par an. Finalement donc, on peut calculer que l'alignement de la ligne des n\oe uds et du Soleil se fait tout les \SI{173}{\day} environ\endnote{Voir aux sujet des éclipses l'excellent site de l'institut de mécanique céleste~: http://www.imcce.fr/}. Cette durée constitue ce qu'on appelle une saison d'éclipses\index{saison@saison!d'éclipse}.
|
|
|
|
Mais, tout cela est encore compliqué, pour les éclipses de Soleil notamment, par le fait que l'ombre de la Lune ne couvre pas la totalité de la Terre. Si bien qu'en un lieu donné de sa surface, au moment où des éclipses de Soleil et de Lune sont possibles, il se peut que seule une éclipse de Lune soit visible, alors que celle de Soleil ne l'est pas à cet endroit.
|
|
|
|
\subsubsection{Les marées}
|
|
Un autre phénomène important dont l'origine est due à la Lune est celui des marées. Il n'est pas question ici de l'aborder autrement que très superficiellement. L'annexe \ref{chapmarees} en donne cependant une présentation plus approfondie.
|
|
|
|
Le phénomène lui-même est le suivant. On observe dans certaines région du globe, comme la Bretagne par exemple, que la mer monte et descend périodiquement. Pour être plus précis, elle passe du niveau de pleine mer au niveau de basse mer en approximativement six heures. Ainsi, s'il se produit une marée haute à une heure du matin, une marée basse suivra à sept heures, puis à nouveau une marée haute à treize heures et enfin une marée basse à dix-neuf heures. On constate donc deux marées hautes et deux marées basses par jour. Comment l'expliquer ?
|
|
|
|
Dans un premier temps, l'explication paraît simple. La force de gravitation de la Lune attire les molécules d'eau. La surface des océans monte donc du côté de celle-ci comme le montre la figure \ref{marees2}.
|
|
|
|
\begin{figure}[t]
|
|
\centering
|
|
\subfigure[Sans rotation de la lune\label{marees2}]{\includegraphics[width=6cm]{Marees2.eps}}
|
|
|
|
\subfigure[Avec rotation de la lune\label{marees1}]{\includegraphics[width=6cm]{Marees1.eps}}
|
|
\caption{Les marées}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
Le problème est que cela ne suffit pas pour expliquer la présence de deux marées hautes (ou basses) par jour. En effet, considérons la figure \ref{marees2} et imaginons la Terre tourner sur elle-même en vingt-quatre heures alors que la Lune ne se déplace que peu dans le même temps puisque sa période de rotation autour de la terre est d'environ un mois. Le point P est à marée haute. La rotation de la Terre la mène alors, sans que le \og bourrelet\fg{} d'eau du côté de la lune ne bouge, en six heures au point P' et en douze heures au point P'' qui est à marée basse. Ainsi, selon cette explication, il ne devrait y avoir qu'une seule marée haute par jour (c'est-à-dire un intervalle entre les marées haute et basse de douze heures).
|
|
|
|
Cette explication n'est donc pas suffisante. En réalité, comme le montre la figure \ref{marees1}, un autre \og bourrelet\fg{} d'eau se forme à l'opposé de la Lune. Son existence est due à la dynamique du couple Terre-Lune. Le couple Terre-Lune tourne autour d'un axe qui ne passe pas par le centre de la Terre mais par son centre de gravité. Le point P'' tourne donc en même temps que la Lune autour de ce centre de gravité et, comme le poids en rotation au bout des bras d'un lanceur de marteau, cette eau semble \og éjectée vers l'extérieur\fg{} (nous verrons par la suite que c'est plutôt parce que sans la gravitation de la Terre, elle continuerait son mouvement en ligne droite). C'est la raison de l'existence du \og bourrelet\fg{} d'eau qui se forme à l'opposé de la Lune.
|
|
|
|
En conséquence, on voit sur la figure \ref{marees1} qu'un observateur situé au point P observant une marée haute va se déplacer en raison de la rotation de la Terre sur elle-même en six heures vers le point P' qui est à marée basse. Puis, il va poursuivre son chemin pour arriver six heures plus tard au point P'' qui est à marée haute. Ainsi, il peut y avoir deux marées haute par jour.
|
|
|
|
\smallskip
|
|
Ce dernier exemple montre que l'explication de la périodicité des marées passe obligatoirement par la dynamique du système Terre-Lune. Sans celle-ci, il ne serait pas possible de comprendre un phénomène dont on imagine souvent une explication basée uniquement sur la force de gravitation. Or, l'annexe \ref{chapmarees} montre que d'autre rythmes de marées existent dont la complexité tient encore à la dynamique des corps en présence.
|
|
|
|
\medskip
|
|
Finalement, avec ce petit tour de l'horizon céleste, on peut maintenant mieux se rendre compte que les \og objets\fg{} qui constituent notre univers sont loin d'être immobiles et que leurs mouvements sont difficiles à bien décrire\dots\ Mais c'est là la tâche de la physique que d'élaborer cette description avec précision pour nous permettre d'envoyer des hommes sur la Lune ou de placer des satellites de communication autour de la Terre.
|
|
|
|
\subsection{Le monde subatomique\index{subatomique@subatomique}}\label{subsectionsubatomique}
|
|
D'un côté se trouvent des mondes bien plus grands que le nôtre et de l'autre des mondes bien plus petits. La biologie nous enseigne que nous sommes composés de cellules et la chimie que celles-ci sont faites de molécules\index{molecule@molécule}. Chacune de celles-ci sont elles-même faites d'atomes. Or, ces atomes\index{atome@atome} sont construits dans les étoiles (une bonne introduction à l'astrogénèse\index{astrogenese@astrogénèse} de la matière est donnée dans \cite{SV06} ou \cite{FB05}). En effet, le noyau d'un atome est essentiellement constitué de protons et de neutrons. Autour de ce noyau tournent des électrons qui sont retenus par la force électrique qui existe entre les électrons de charge négative et les protons de charge positive. Le noyau lui-même est donc chargé positivement. Les neutrons n'étant pas chargés, on peut se demander ce qui retient les protons ensemble. Si la seule force présente dans le noyau était électrique\index{force@force!électrique}, les protons se repousseraient et le noyau éclaterait. Évidemment, il n'en est rien. Cela traduit la présence d'une autre force, assez faible pour passer inaperçue tant que les protons sont éloignés, mais plus forte que la force électrique quand ils se trouvent très proches les uns des autres, comme c'est le cas dans le noyau. Cette force est nommée \emph{force forte}\index{force@force!forte}. On en dira quelques mots plus loin.
|
|
|
|
Comme cette force agit seulement à faible distance, c'est-à-dire qu'elle a une très courte portée et que la force électrique est importante tant que les protons sont assez loin les uns des autres, il est nécessaire pour les amener à portée de la force forte de les placer sous une grande pression. C'est alors que la force de gravitation\index{force@force!de gravitation} entre en jeu, au sein des étoiles, en comprimant assez ces protons pour que la force électrique ne les empêche pas de s'assembler et que la force forte puisse les lier durablement. C'est donc au sein des étoiles que se créent les différents atomes, par assemblage de protons et de noyaux déjà constitués. C'est pourquoi l'astrophysicien Hubert Reeves a dit un jour que nous étions tous composés de poussières d'étoiles.
|
|
|
|
\begin{figure}
|
|
\centering
|
|
\caption[La nébuleuse du Crabe]{La nébuleuse du Crabe\label{crabnebula} \par \scriptsize{Les restes d'une supernovae\endnote{Voir le site de l'encyclopédie Wikipedia~: \url=http://fr.wikipedia.org/wiki/Image:Crab_Nebula.jpg= notamment pour le copyright de l'image.}}}
|
|
\includegraphics[width=6cm]{Crab_Nebula.eps}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
Actuellement, on compte \num{90} types d'atomes naturels\index{atome@atome!naturel}, c'est-à-dire des atomes n'existant pas sur terre uniquement sous forme de traces. Le plus léger, l'hydrogène, est composé d'un proton et d'un électron. Le plus lourd, l'uranium, a un noyau composé de \num{238} particules nommées nucléons. Cet atome comprend \num{92} protons\index{proton@proton}, autant d'électrons\index{electron@électron} et \num{146} neutrons\index{neutron@neutron}. Comme l'uranium comprend \num{92} protons et qu'il existe \num{90} atomes naturels, deux éléments sont artificiels~: le technétium (\(^{98}_{43}Tc\)) et le prométhium (\(^{145}_{\,61}Pm\)). Ensuite, les éléments comprenant un nombre de protons supérieur à \num{92} sont aussi artificiels.
|
|
|
|
La genèse de ces atomes est complexe. On peut distinguer plusieurs étapes.
|
|
|
|
\begin{figure}
|
|
\centering
|
|
\caption[L'atome de Bohr]{L'atome de Bohr\label{Bohr} \par \scriptsize{Un système planétaire\endnote{Voir le site de l'encyclopédie Wikipedia~: \url=http://fr.wikipedia.org/wiki/Accueil= notamment pour le copyright de l'image. Remerciements à son auteur Christophe Dang Ngoc Chan.}}}
|
|
\includegraphics[width=6cm]{Atome_bohr.eps}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
\begin{description}
|
|
\item[Pendant le big bang,\index{big@big!bang}] c'est-à-dire pendant les cent premières secondes de l'univers\cite[p. 88]{SV06}, la densité et les pressions sont telles que l'hydrogène\index{hydrogene@hydrogène} apparaît sous la forme d'un proton. Nous verrons par la suite comment. Puis, se forme le deutérium\index{deuterium@deutérium}, isotope de l'hydrogène composé d'un proton et d'un neutron. Puis l'hélium\index{helium@hélium} 3 et 4 et le lithium\index{lithium@lithium} 7. Et c'est tout, car la température diminuant, elle n'est plus assez grande pour permettre la formation d'éléments plus lourds.
|
|
\item[A l'intérieur des étoiles,] la formation d'hélium à partir de l'hydrogène se produit au début de leur vie. Cela passe en premier lieu par la formation de deutérium, puis d'hélium 3 et 4. Actuellement, dans le soleil, plus de 500 millions de tonnes d'hydrogène fusionnent chaque seconde pour donner de l'hélium. Une petite partie, environ 0,7\%, est convertie en énergie.
|
|
|
|
Ces deux éléments, hydrogène et hélium, constituent respectivement 71\% et 27\% de la masse du système solaire, soit au total 98\% de celle-ci. C'est dire leur importance.
|
|
|
|
Lorsque l'hydrogène a été consommé, l'étoile se contracte et il se forme des atomes plus lourds comme le carbone\index{carbone@carbone}, l'azote\index{azote@azote} et l'oxygène\index{oxygene@oxygène} à partir du béryllium. Puis, dans un second temps, le fluor et le néon à partir du carbone et de l'oxygène et enfin les éléments suivants jusqu'au fer.
|
|
|
|
Dans certaines étoiles (les géantes rouges\index{geante@géante!rouge} par exemple) la création des éléments encore plus lourds ne se fait plus par fusion\index{fusion@fusion}. En effet, la répulsion électrique entre les noyaux qui devraient fusionner devient si importante en raison du nombre élevé de protons qu'ils ne fusionnent plus. Par contre, ils s'entourent progressivement de neutrons (produits de la fusion des éléments précédents) qui ne sont pas repoussés par la force électrique\index{force@force!électrique} et grossissent tellement qu'ils deviennent instables. Alors certains neutrons se transforment par désintégration\index{desintegration@désintégration} en protons créant ainsi de nouveaux éléments plus lourds que le fer.
|
|
|
|
\item[Lors de l'explosion d'une étoile,] phénomène appelé supernov\ae\index{supernovae@supernovae} (voir la figure \ref{crabnebula}), se forment les éléments plus lourds que le carbone, l'azote et l'oxygène et cela jusqu'au fer, atome si stable que les conditions d'une telle explosion ne suffisent même pas à former des éléments plus lourds.
|
|
|
|
Puis, comme précédemment, les éléments plus lourds sont aussi formés par désintégration des neutrons insensibles à la force électrique qui se sont liés au fer.
|
|
\item[Dans le gaz interstellaire\index{gaz@gaz!interstellaire}] enfin, se forment les trois éléments légers particuliers que sont le lithium\index{lithium@lithium}, le béryllium\index{beryllium@béryllium} et le bore\index{bore@bore} par fission du carbone, de l'azote et de l'oxygène.
|
|
\end{description}
|
|
|
|
\begin{figure}
|
|
\centering
|
|
\caption[L'atome~: onde de probabilité]{L'atome~: onde de probabilité\label{ondeproba} \par \scriptsize{Une image bien plus complexe\endnote{Voir le site de l'encyclopédie Wikipedia~: \url=http://fr.wikipedia.org/wiki/Accueil= notamment pour le copyright de l'image. Remerciements à son auteur Pickwick.}}}
|
|
\includegraphics[width=6cm]{Atome_proba.eps}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
\begin{figure}[t]
|
|
\centering
|
|
\caption[L'orbitale~: onde de probabilité]{L'orbitale~: onde de probabilité\label{orbitale} \par \scriptsize{Une autre image complexe\endnote{Voir le site de l'encyclopédie Wikipedia~: \url=http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:8orbitals.jpg= notamment pour le copyright de l'image.}}}
|
|
\includegraphics[width=7cm]{Orbitales.eps}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
\begin{table*}[th!]
|
|
\centering
|
|
\caption[Tableau des particules élémentaires]{Tableau des particules élémentaires \par \scriptsize{Beaucoup de diversité}}\index{particule@particule!élémentaire}\label{particuleselementaires}
|
|
\begin{center}
|
|
\begin{tabular}{|l||>{\raggedright\small\color[gray]{0.5}}p{2.727cm}|>{\raggedright\small\color[gray]{0.5}}p{2.727cm}||>{\raggedright\small\color[gray]{0.5}}p{2.727cm}|>{\small\color[gray]{0.5}}p{2.727cm}|}
|
|
\hline
|
|
\multicolumn{5}{|c|}{\includegraphics[width=13.635cm]{StructuresAtomiques.eps}}\\
|
|
\multicolumn{1}{|c}{Atome} & \multicolumn{1}{c}{Noyau} & \multicolumn{1}{c}{Nucléon} & \multicolumn{1}{c}{Quarks} & \multicolumn{1}{c|}{Cordes}\\
|
|
\hhline{|=#==#==|}
|
|
\multirow{2}{2.6cm}[-3mm]{\textsc{Fermions}\\Ce sont les particules qui constituent la matière ordinaire} & \multicolumn{2}{>{\columncolor[gray]{0.8}}c||}{\textsc{Leptons}} & \multicolumn{2}{>{\columncolor[gray]{0.8}}c|}{\textsc{Quarks}}\\
|
|
\cline{2-5}
|
|
& \color{black}\textsc{Électron (\(e^-\))} & \color{black}\textsc{Neutrino (\(\nu_e\)) électronique} & \color{black}\textsc{Bas (d)} & \color{black}\textsc{Haut (u)}\\
|
|
& Il détermine les propriétés chimiques. Chargé négativement. & Très faible interaction avec la matière. Sans charge. & 1x dans le proton, 2x dans le neutron. & 2x dans le proton, 1x dans le neutron\\
|
|
\hline
|
|
\multirow{4}{2.6cm}[-6mm]{Particules du big bang, présentes dans les rayons cosmiques ou les accélérateurs} & \color{black}\textsc{Muon (\(\mu^-\))} & \color{black}\textsc{Neutrino muonique (\(\nu_{\mu}\))} & \color{black}\textsc{Étrange (s)} & \color{black}\textsc{Charme (c)}\\
|
|
& Un électron plus massif & Un autre neutrino & Un bas plus massif & Un haut plus massif\\
|
|
\cline{2-5}
|
|
& \color{black}\textsc{Tau (\(\tau\))} & \color{black}\textsc{Neutrino tauique (\(\nu_{\tau}\))} & \color{black}\textsc{Beauté (b)} & \color{black}\textsc{Vérité ou Top (t)}\\
|
|
& Un muon plus massif & Un autre neutrino & Un étrange plus massif & Un haut encore plus massif\\
|
|
\hhline{|=#==#==|}
|
|
%\hline\hline
|
|
\multirow{2}{2.6cm}[-3mm]{\textsc{Bosons}\\Particules représentant les forces élémentaires} & \color{black}\textsc{Photon (\(\gamma\))} & \color{black}\textsc{Gluon (g)} & \color{black}\textsc{Bosons (W Z) intermédiaires} & \color{black}\textsc{Graviton} \\
|
|
& Grain de lumière ; vecteur de la force électromagnétique & Cohésion du noyau et des nucléons ; vecteur de la force forte & Radioactivité ; vecteur de la force faible & Poids~: vecteur de la force de gravitation \\
|
|
\hline
|
|
\end{tabular}
|
|
\end{center}
|
|
\end{table*}
|
|
|
|
Mais la physique ne s'arrête pas là dans sa description de l'infiniment petit. Elle s'intéresse encore à d'autres objets extraordinaires. En effet, si les mouvements des atomes\index{atome@atome} peuvent encore facilement être représentés en termes de trajectoire\index{trajectoire@trajectoire}, ceux de leurs composants sont bien plus étranges. Car on peut autant les voir comme de petites particules\index{particule@particule} (et, à l'origine, cela à donné lieu à un modèle de l'atome dit de Bohr (voir fig. \ref{Bohr}) où les électrons orbitaient autour du noyau, comme les planètes autour du soleil) que comme des \og choses\fg{} infiniment étendues que l'on appelle ondes\index{onde@onde}. Cette dualité du mode d'existence des particules élémentaires\index{particule@particule!élémentaire} comme les électrons\index{electron@électron}, les protons\index{proton@proton}, les neutrons\index{neutron@neutron} et bien d'autres encore traduit l'existence d'un objet physique bien particulier, \emph{le quanton}, et présente des difficultés d'analyse de son mouvement. Au niveau des \og trajectoires\fg{} électroniques, par exemple, on constate que certaines orbitales semblent passer par le noyau (voir fig. \ref{orbitale}). En outre, celles-ci ne peuvent être précisément représentées comme l'orbite d'une planète pourrait l'être. En fait, elles ne sont même pas des surfaces, mais plutôt des zones étendues de l'espace dans lesquelles la probabilité de trouver un électron est importante (voir fig. \ref{ondeproba}). Car, à cette échelle, on ne peut plus décrire la position de l'électron que par une probabilité de présence. En effet, un principe d'indétermination\footnote{Le terme d'indétermination est préférable à celui d'incertitude, communément attribué au principe de Heisenberg, qui laisse penser que l'indétermination est uniquement due à la mauvaise qualité de nos instruments de mesure et non à la caractéristique fondamentale des quantons de ne pas être localisés.}\index{principe@principe!d'indétermination}\index{principe@principe!d'incertitude}, dit de Heisenberg\index{Heisenberg@Heisenberg}, règle la relation entre leur position et leur vitesse\index{vitesse@vitesse}. Celui-ci exprime la constatation que si l'on connaît parfaitement la position d'un tel objet, alors sa vitesse ne peut nous être que totalement inconnue. Et inversement, si sa vitesse est parfaitement déterminée, alors on ne peut savoir où est l'objet. Ainsi, au niveau microscopique, la notion même de mouvement n'est pas claire, ou plutôt est bien plus complexe que celle que nous rencontrons dans la vie quotidienne.
|
|
|
|
\begin{quotation}
|
|
\og \textit{Il n'y a pour les quantons\index{quanton@quanton} plus de mouvement au sens d'une trajectoire\index{trajectoire@trajectoire}, comme celle que suit une particule classique. Puisqu'un quanton possède une spatialité continue, a une extension spatiale indéfinie, son mode d'évolution temporelle est plus proche de la propagation des ondes\index{onde@onde} que du mouvement des corpuscules\index{corpuscule@corpuscule}. Il faut donc ici rompre avec le projet cartésien qui était de décrire le monde \og par figures et mouvements\fg. Plus de figures, plus de mouvement, mais d'autres caractérisations, bien sûr, qui ne correspondent pas à nos intuitions immédiates et à nos pratique communes -- ce sont de nouvelles notions que les théories physiques font émerger de l'expérience du monde quantique\index{quantique@quantique}.}\fg{} \footnotesize{\cite[p. 33]{JL06}}
|
|
\end{quotation}
|
|
|
|
Ce monde étrange et fascinant de la physique de l'infiniment petit ne s'arrête pas à la dualité onde-corpuscule\index{dualite@dualité!onde corpuscule}. La recherche des composants ultimes de la matière a de tout temps relevé du domaine de la physique. Avec l'atome, un pas important a été franchi. Mais il existe plus de \num{92} types d'atomes qui ont chacun leurs propriétés spécifiques. Naturellement donc on s'est intéressé à sa composition. Ce qui permit de découvrir les électrons, les protons et les neutrons. Ainsi, d'élémentaire, l'atome est passé au rang de structure complexe. Mais, comme on peut aussi le voir dans le tableau \ref{particuleselementaires}, il existe encore beaucoup d'autres particules qui composent le monde subatomique.
|
|
|
|
On peut y voir que l'ensemble des particules se décompose en deux catégories essentielles~: les fermions\index{fermion@fermion} et les bosons\index{boson@boson}. Les premiers forment la matière et les seconds expliquent la nature des forces fondamentales\index{force@force!fondamentale}.
|
|
|
|
\smallskip
|
|
\begin{itemize}
|
|
\item[\textsc{Les fermions}] Cette catégorie se compose elle-même de deux groupes~: les leptons\index{lepton@lepton} et les quarks\index{quark@quark}. Les quarks sont les constituants des nucléons\index{nucleon@nucléon} (composants du noyau)~: protons et neutrons. Chaque nucléon est composé de trois quarks. Les leptons quant à eux doivent être considérés individuellement à l'instar de l'électron et du neutrino électronique\index{neutrino@neutrino!électronique}.
|
|
\item[\textsc{Les bosons}] Sorte de messagers des interactions élémentaires, ils permettent de comprendre comment se réalisent les actions entre les corps. Ces actions sont des forces, comme la force de frottement, la force de gravitation, la force d'un ressort\dots\ qui ont toutes pour origine une des quatre interactions fondamentales\index{interaction@interaction!fondamentale} à laquelle correspond chaque fois un type de particule véhiculant cette force~:
|
|
|
|
\medskip
|
|
\begin{center}
|
|
\textsc{Électromagnétique} \(\leftrightarrow\) \textsc{Le photon}
|
|
|
|
\textsc{Faible} \(\leftrightarrow\) \textsc{Un boson intermédiaire} \label{forcefaible}
|
|
|
|
\textsc{Forte} \(\leftrightarrow\) \textsc{Le gluon}
|
|
|
|
\textsc{De gravitation} \(\leftrightarrow\) \textsc{Le graviton ?}
|
|
|
|
\end{center}
|
|
\medskip
|
|
|
|
Il faut noter que le graviton\index{graviton@graviton} est encore hypothétique.
|
|
\end{itemize}
|
|
|
|
\medskip
|
|
Finalement, il faut encore parler des particules très particulières formant l'antimatière\index{antimatiere@antimatière}. On sait de nos jours produire et stocker pendant une courte période (quelques jours\footnote{On crée des anti-protons dans un accélérateur de particules comme le CERN à Genève, on les ralentit et on les piège dans un champ électromagnétique. Voici à ce sujet un commentaire de M. Carlo RUBBIA (Prix Nobel de Physique 1984)~: \begin{quotation}\og \textit{L'antimatière est, comme vous l'avez vu, produite au CERN où une véritable usine de production a été construite. Nous utilisons des protons qui sont accélérés et viennent frapper une cible. Au cours des collisions, il y a production d'un grand nombre de particules ou d'antiparticules et, parmi elles, on trouve des antiprotons. Ces antiprotons sont stockés dans une bouteille magnétique qui, dans le cas particulier, est un anneau de stockage à accumulation. On obtient ainsi une quantité d'antimatière qui n'est pas très petite puisqu'elle atteint un microgramme par jour.}\fg{} \endnote{Voir~: \url=http://cui.unige.ch/isi/ssc/phys/Rubbia-Klapisch.html=}\end{quotation}}) ce type de particules qui interagissent fortement avec la matière ordinaire en disparaissant totalement au profit de lumière. Ce sont des particules qui ont des propriétés inverses des particules de la matière ordinaire. Par exemple, un positron\index{positron@positron}, qui est un anti-électron, a la même masse qu'un électron, mais une charge opposée. Ces particules n'existent pas sur terre ailleurs que dans les accélérateurs de particules où elles sont produites par la collision d'autres particules. Mais on peut envisager qu'il en existe beaucoup ailleurs dans l'univers. Cette question reste cependant débattue.
|
|
|
|
\subsubsection{Conclusion}
|
|
On peut maintenant mieux comprendre pourquoi la compréhension du mouvement est l'un des premiers objectifs du physicien et pourquoi la science qui permet de prévoir le \og destin\fg{} des objets, la mécanique\index{mecanique@mécanique}, commence par une description des mouvements\index{mouvement@mouvement} les plus simples~: la cinématique\index{cinematique@cinématique}. |