L’énergie est au cœur des préoccupations actuelles car elle joue un rôle dominant dans nos vies de tous les jours, mais aussi car elle conditionne l’évolution de notre civilisation technique et industrielle, voire de la planète Terre.
C’est un concept complexe malgré son apparente simplicité ; il a fallu des siècles pour que les scientifiques l’appréhendent dans sa totalité et déterminent les lois physiques qui la gouvernent. En particulier, comme l’énergie a un caractère multiforme, la notion de bilan est centrale -mais complexe- pour aborder nos problèmes actuels.
Le cours se propose d’exposer les grandes lignes de notre savoir actuel sur l’énergie, sans développements mathématiques complexes, avec une mise en perspective historique. On étudiera les différentes technologies en cours ou à créer pour disposer de sources d’énergie pérennes Le cours permettra aussi de comprendre le rôle de l’énergie dans les théories modernes de l’infiniment petit et de l’infiniment grand.
Les documents, supports du cours, sont accessibles via les boutons :
Bleu pour ceux en format .pdf ; accessibles sur tous les systèmes, mais sans animations
Vert pour ceux en format .ppsm ; diaporama Powerpoint
Enfin, les boutons rouges donnent accès aux vidéos sur YouTube ou aux podcats sur Spotify
Ch 0 – Mise en perspective
Ce chapitre d’introduction présente les objectifs du cours et sa structure. Il précise les unités de mesure de l’énergie qui seront utiles dans le reste du cours.
Ch 1 – Origines microscopiques de l’énergie à notre échelle
Les différentes formes d’énergie que nous percevons à notre échelle prennent leurs sources dans l’infiniment petit. Elles sont liées aux 4 forces fondamentales structurées depuis le Big Bang : respectivement les forces gravitationnelles, nucléaires (2) et électromagnétique. Le chapitre passent en revue leurs propriétés et leurs effets. A notre échelle, l’énergie électromagnétique est la plus présente, sous la forme d’ondes (radio, lumière,…) et de courants électriques ; elle est à la base de l’énergie chimique.
Enfin, on étudiera l’énergie calorifique qui n’est que la manifestation à notre échelle, de l’agitation désordonnée des atomes et molécules.
Ch 2 – Les formes de l’énergie à notre échelle et leurs transformations
A notre échelle, on peut distinguer 6 formes d’énergie
Les 6 formes d’énergie : nucléaire, radiative, chimique, électrique, mécanique et thermique.
Elles peuvent se transformer les unes dans les autres
On étudiera les principales transformations : notamment la transformation entre énergie thermique et énergie mécanique qui est à la base de notre civilisation industrielle ; la photosynthèse est une transformation de l’énergie radiative vers l’énergie chimique à la base de la vie,… etc. Ces transformations sont plus ou moins efficaces, ce qui sous-tend des principes ou lois qui seront étudiés dans le chapitre suivant.
Pour aborder la problématique de l’énergie dans nos sociétés, il est nécessaire d’analyser ses propriétés selon ses différentes formes et selon ses transformations. Tout d’abord, on distinguera les énergies de flux et de stock, puis la cascade énergie primaire –> secondaire, –>finale –> utile.
Le concept de Taux de Retour Energétique (ERoI) sera introduit pour caractériser la pérennité des ressources en stock. Les énergies en flux seront analysées dans le chapitre 4. Enfin, le concept d’entropie sera développé en détail : d’abord du point de vue (macroscopique) de la thermodynamique, puis de celui (microscopique) de la physique statistique, qui permettra d’établir l’universalité du concept et de ses implications à toutes les échelles
L’objectif de ce chapitre est de considérer l’interaction de la planète Terre avec son étoile le Soleil. Dans un premier temps, on étudiera comment le concept d’entropie s’applique à l’Univers et détermine son futur.
Le Soleil alimente la Terre avec un flux d’énergie qui durera (en se modifiant) encore quelques milliards d’années ; on étudiera les flux d’énergie et d’entropie entre le Soleil, la Terre et le reste de l’Univers ; avec une attention particulière au rôle de l’atmosphère terrestre dans la production d’énergie libre, nécessaire à la biosphère en général et à l’humanité en particulier.
La quantité d’énergie utilisée par l’Homo Sapiens pour ses activités (et donc pour agir sur son environnement) a crû durant son histoire : d’abord de manière lente avec l’utilisation de l’outil, puis des machines extrayant l’énergie « renouvelable » de son environnement (voile, moulin à eau ou à vent…). A partir du du XVIIIème siècle, l’introduction des machines thermiques utilisant les énergies fossiles a provoqué une croissance exponentielle de l’énergie utilisée par l’Homme pour sa survie et surtout pour la fabrication des multiples artefacts de la société industrielle.
Cette croissance multipliée par une croissance équivalente de la population mondiale conduit à une impact de l’humanité sur son environnement qui la menace directement.
Maîtriser la croissance de ses besoins énergétiques, mais surtout les « défossiliser » sont les enjeux majeurs pour le futur de l’Humanité.
Mais les capacités remarquables de l’Homo sapiens qui ont conduit à sa domination de la planète Terre, ne sont-elles pas aussi celles qui peuvent le conduire à son autodestruction ?
« C’est une chose étrange que les hommes aient voulu comprendre les principes des choses, et de là arriver à connaître tout, par une présomption aussi infinie que leur objet »
Pascal, Pensées 72-299
Le cours se propose d’exposer les grandes lignes des sciences de la complexité, dont les principes sont présentés dans la page » comprendre le monde et sa complexité » de ce blog.
Il s’adresse à un large public intéressé par l’histoire des Sciences et désireux de comprendre la démarche qui, partant du travail des pionniers comme Galilée ou Newton au XVIIème siècle, a abouti à notre connaissance actuelle de l’Univers à toutes ses échelles. Nous verrons comment l’ordinateur a pris une place de plus en plus importante dans cette démarche, avec ses derniers avatars que constituent les réseaux neuronaux et l’intelligence artificielle.
A la fin de chaque chapitre, les boutons pdf, ppt et vidéo donnent accès aux différentes ressources : – pdf : présentation sans animation – ppt : présentation lisible avec Powerpoint, avec animations et effets dynamiques – vidéo : vidéo accessible sur YouTube : la Science de Bernie.
Les ressources sont mises à jour tous les ans, sauf les vidéos dont la production est plus lourde.
Chapitre 0 – Introduction
La quête de l’unité a été l’axe dominant de la physique depuis 3 siècles ; depuis le milieu du XXème siècle, la science de la complexité est apparue, notamment grâce à l’arrivée des ordinateurs. Cette introduction présente les objectifs et l’organisation de ce cycle.
En ce début de XXIème siècle, la Physique a fortement progressé vers une vision unifiée des forces, composants et lois qui constituent notre Univers, à toutes les échelles. Ce chapitre expose la démarche -théorique et expérimentale- qui a construit au fil des siècles cette vision unifiée.
Une première partie expose les origines et les principes de la démarche scientifique « moderne » née à la Renaissance. Elle est basée sur les 3 piliers : instrumentation, expérimentation et abstraction mathématique, dont Galilée fut l’un des pionniers. Descartes, comme philosophe, en a exposé les principes (Discours de la Méthode) : rationalisme et réductionnisme.
Une deuxième partie expose les résultats de la démarche réductionniste : recherche des éléments de base communs à tout l’Univers. Cette quête de l’unité -non encore aboutie- fournit une base solide pour tenter la reconstruction des objets de l’Univers à partir de ses « atomes ». Une vidéo synthétise ces 2 parties du chapitre
Dans la ligne de la quête de l’Unité, Une troisième partie – « L’arpentage du monde » – présente la démarche vers la définition unique et cohérente des grandeurs fondamentales universelles, et d’un système d’unités pour les mesurer. Désormais (en 2018), le rêve de la Révolution Française d’établir un système de mesures simple et universel, est devenu réalité.
Nous prenons conscience que la structure actuelle de notre univers dépend d’un réglage extrêmement fin d’un petit nombre de constantes universelles.
Les différents champs de la physique sont structurés en une hiérarchie de disciplines emboîtées. Chaque discipline (nucléaire, atomique, moléculaire, …) s’appuyant sur le niveau inférieur en « cachant » sa structure interne.
Cette hiérarchisation de systèmes physiques encapsulés s’applique aussi dans la vie moderne. En effet, on y manipule beaucoup d’objets technologiques, sans connaître leurs structures internes. On applique -sans le savoir- les principes de l’encapsulation.
Au cours du XIXème siècle, avec l’essor des machines à vapeur, la physique statistique a été élaborée pour comprendre l’origine des comportements des gaz, c’est-à-dire relier leur comportement macroscopique (à notre échelle) à leur organisation microscopique. La physique statistique fait apparaître la notion d’émergence, qui dominera la suite du cycle de cours.
Chapitre 3 – La complexité – survol épistémologique
La notion de système est relativement récente (XVIIIème siècle) : « ensemble de constituants reliés par des relations de dépendance et ayant un comportement collectif vis-à-vis de leur environnement ». Les notions de système complexe et de science de la complexité sont apparues au milieu du XXème siècle, notamment en lien avec la puissance croissante des ordinateurs.
Le rêve de Laplace
La science de la complexité apparait comme alternative à la « quête de l’unité » (Chapitres précédents) avec l’objectif de reconstruire l’Univers à toutes ses échelles et dans sa diversité. Que ce soit en Mathématiques ou en Physique, au-delà des obstacles techniques, il y a des limites fondamentales à la réalisation du rêve de Laplace.
La notion de complexité est un concept-valise, qui a envahi tous les champs des sciences exactes, humaines et sociales. Il est cependant possible de classer et de « mesurer » la complexité des systèmes de la nature.
Chapitre 4 – Les systèmes dynamiques – les automates
L’étude de la dynamique des systèmes est un des champs les plus actifs de la physique : par les applications qui en découlent (mécanique classique, mécanique quantique, etc.), et par les développements mathématiques qu’elle a, soit utilisés, soit suscités. La dynamique des systèmes se caractérise par des équations différentielles liant l’évolution au cours du temps à la structure de l’espace (champ de forces, gradients,…).
Le nombre des solutions analytiques de ces équations est très limité ; les méthodes de résolution discrètes ouvrent -avec l’ordinateur- un espace immense de solutions numériques.
La mise en œuvre de ces méthodes numériques fait apparaître la notion d’automate, comme outil de modélisation des phénomènes de la Nature. La première section du chapitre montre les applications de ces automates à l’étude des systèmes dynamiques ; mis en œuvre sur ordinateur, ce sont des outils puissants pour la résolution de nombreux problèmes (par exemple, le « problème à N corps »), avec des limitations fondamentales qui font l’objet de la section suivante
L’utilisation des automates de calcul -par exemple pour la météo- va mettre en lumière le phénomène de chaos déterministe, pressenti par Poincaré au début du XXème siècle. Le chaos met fin au rêve de Laplace, puisque il dissocie la prédiction de l’explication et de la compréhension : les phénomènes expliqués par des lois parfaitement déterministes peuvent avoir un comportement imprédictible.
Le papillon et le cyclone
La 2ème section du chapitre 4 est dédiée à l’étude du chaos déterministe, ses propriétés et les conditions d’apparition des régimes chaotiques dans la dynamique des systèmes.
À notre échelle, « le hasard est le principe déclencheur d’événements non liés à une cause connue » (Wikipédia). Pour des savants comme Einstein, tous les évènements de la Nature sont reliés à des causes et si des causes nous paraissent inconnues, c’est que nos théories sont imparfaites; alors que les théoriciens de la Mécanique Quantique – en majorité- pensent qu’il y une part de hasard irréductible dans les phénomènes physiques de l’infiniment petit.
Le hasard et la pandémie COVID – 19
Il y a un paradoxe à vouloir simuler les phénomènes aléatoires (au hasard) sur la machine déterministe qu’est l’ordinateur. Ce problèmes résolu, un large domaine de phénomènes physiques est ouvert à la modélisation et à la simulation sur ordinateur, par les méthodes dites de Monte-Carlo.
Les organismes vivants – pour leur survie ou leur reproduction – résolvent des problèmes complexes sans mathématiques, ni ordinateur. De capacités individuelles limitées, ils agissent collectivement pour s’adapter à l’environnement. On parlera d’intelligence distribuée ou d’intelligence en essaim.
A partir des années 1960, des modèles inspirés par la Nature et la Biologie ont été développés, pour traiter, notamment, les problèmes de parcours optimaux dans les réseaux . Les algorithmes qui en résultent (par exemple, « algorithmes de fourmis » ou « algorithmes génétiques »), permettent de résoudre de manière efficace des problèmes de logistique, de routage, de distribution, etc.
La première section montre l’application de ces modèles d’intelligence distribuée à différents problèmes d’optimisation combinatoire.
Alors que la puissance des processeurs d’ordinateur se développe de manière exponentielle, les modèles bio-inspirés montrent que des réseaux de processeurs (automates) aux capacités limitées ont des propriétés collectives émergentes exceptionnelles.
Modèle du perceptron – Y. Le Cun – « Quand la machine apprend » – Odile Jacob
La section suivante étudie les réseaux d’automates (jeu de la vie, automates cellulaires), avant d’aborder les réseaux neuronaux. Inspirés des neurones animaux (humains), ils ont atteint des performances que l’on croyait réservées au cerveau humain (reconnaissance et synthèse de la parole, reconnaissance d’écriture, traduction dans des dizaines de langues, etc.). Se pose alors la question de l’intelligence artificielle : ses possibilités, limites, voire dangers.
Les objets qui composent notre univers ont des formes qui nous permettent de les reconnaître et de les classer (avec nos réseaux neuronaux) : montagne, chou-fleur, flocon de neige etc… Nous nous interrogeons rarement sur l’origine de ces formes, de leurs régularités ou absences de régularités.
Ce chou Romanesco a une forme bien particulière – entre ordre et désordre. La morphogénèse se pose la question de l’origine de la forme des objets de la Nature.
La morphogénèse est un vaste domaine scientifique encore balbutiant ; nous traiterons 3 aspects : – Les objets fractals : objets de la Nature de structure intermédiaire entre le désordre et l’ordre parfait, où se mêlent autosimilarité et aléatoire. – L’entropie est une mesure du désordre des systèmes et ne peut que croître. Ce principe vérifié à toutes les échelles, implique que le désordre ne peut que croître dans la Nature. Et pourtant nous sommes entourés de structures ordonnées, en particulier par des organismes vivants. Comment cela est-il compatible avec l’entropie ? – Si l’on admet que les flux d’énergie permettent de lutter contre l’entropie, voire créer des structures ordonnées ; comment ces structures apparaissent-elles ; il y a-t-il un principe (ou plusieurs) à la base de la morphogénèse ?
Plus généralement, se pose la question de la croissance de la complexité depuis le début de l’Univers : marche au hasard ou marche selon une loi.. Puisqu’à terme l’univers parait destiné à mourir quasiment vide et froid, quel objectif pour une croissance de la complexité-condamnée à terme par l’entropie ?
Le cours 2023 s’arrête là, venez revisiter le site pour de nouvelles mises à jour.
La planète Terre – une approche systémique
Pourquoi la planète Terre (comparée à la Lune) est-elle dynamique ; pourquoi héberge-t-elle des structures organisées comme les êtres vivants ? Alors que le principe général de l’entropie devrait la conduire vers le désordre.
Bilan d’énergie et d’entropie de la Planète Terre
Sa capacité à produire de l’énergie libre est la clé. Le chapitre expose les bilans énergétique et entropique de la Terre, et montre que son avenir est conditionné par sa capacité à évacuer vers l’espace l’énergie et l’entropie qu’elle génère.
————— Bibliographie – Extraits de ma bibliothèque ——————-
Dans la mesure du possible, les liens vont vers les sites des éditeurs, quand ils existent … Certains livres sont moins récents -mais toujours d’actualité ; on peut les trouver en bibliothèque ou en occasion.
« A la découverte des lois de l’Univers – La prodigieuse histoire des mathématiques et de la Physique », R. Penrose, Odile Jacob. Une vision encyclopédique par l’un des plus féconds et originaux physiciens de ce temps. Un peu ardu parfois, mais « ad augusta, per angusta »…
Epistémologie, Histoire des Sciences
« La quête de l’unité – l’aventure de la physique », E.Klein, M Lachièze-Rey, Albin Michel « Sciences d’aujourd’hui ». L’histoire des succès de l’approche réductionniste en Physique
« Le grand Tout », S.Carroll, Quanto, EPFL Press. L’existence de l’homme a-t-elle un sens et un but dans une vision scientifique de l’univers – le point de vue abordable d’un physicien.
« Logicomix« , A Doxiadis, C. Papadimitrou, A. Papadatos et A. Di Donna, Vuibert. Une bande dessinée très documentée sur l’histoire de la recherche des fondements des mathématiques.
« Eléments d’Histoire des Sciences« , dir M. Serres, Bordas, Cultures. Un ouvrage de référence sur les grandes « bifurcations » dans l’Histoire des Sciences.
« Chaos, conscience, auto-organisation – méditations sur l’unité du Monde », D.Idier, auto-édition, materianumerica.net. Un ouvrage très personnel, avec des ouvertures métaphysiques (au-delà de la physique), illustré par des images de synthèse construites à partir d’algorithmes mettant en œuvre les principes du chaos.
« Comme un vol d’étourneaux« – Une introduction personnelle à la science de la complexité, Giorgio Parisi, Prix Nobel 2021, Flammarion, récit d’une aventure scientifique qui est une excellent introduction à la science de la complexité.
« Au-delà de la physique » – L’émergence de la vie, Stuart A. Kauffman, Dunod ; une réflexion personnelle et originale sur la (im)possibilité de l’émergence de la vie à partir des lois de la physique.
« John von Neumann – L’homme qui venait du futur » A. Bhattacharya. La biographie d’un scientifique exceptionnel, qui permet de parcourir la Science du XXème siècle au traver de ses multiples contributions.
Ouvrages thématique
« La théorie du chaos », J.Gleick, Champs, Flammarion. Un classique, plusieurs fois primé, de vulgarisation scientifique, rigoureuse et agréable à lire.
« Le mètre du monde » .Guedj, Seuil, la relation très vivante de l’aventure de la mesure du méridien terrestre pour fixer la valeur du mètre. Une version plus fouillée par un historien américain « La mesure du monde – La méridienne« , K.Alder, Robert Laffont.
« L’importance des constantes » – de la mesure au cosmos, JP Uzan et B.Leclercq, Dunod, la quête de l’unité en physique illustrée par la recherche des constantes fondamentales de notre Univers et leur détermination.
« La fin des certitudes – temps, chaos et les lois de la nature– » I.Prigogine (I.Stengers),Odile Jacob. Une réflexion d’un des pionniers de la thermodynamique hors équilibre. Voir aussi le livre plus pointu, moins récent: « Physique, temps, devenir », I.Prigogine, Masson.
« Dynamique des systèmes complexes » G.Weisbuch, CNRS InterEditions. Introduction très complète aux réseaux d’automates. Ouvrage épuisé accessible en ligne.
« The self-organizing universe » (en anglais) E Jantsch, Pergamon. Un livre fondateur sur les paradigmes émergents d’auto-organisation et de l’évolution vers la complexité des systèmes physiques, biologiques et sociaux.
« Modèles mathématiques de la morphogénèse« , René Thom, 10-18 puis réédition Eyrolles ; livre fondateur donc un peu ancien sur la morphogénèse, pas si mathématique que cela.
« Quand la machine apprend – la révolution des neurones artificiels et de l’apprentissage profond », Y. Le Cun, Odile Jacob. Une vision historique et un état de l’art, par un des fondateurs de ce champ disciplinaire.
« L’IA peut-elle penser ? Miracle ou mirage de l’intelligence artificielle », H. Krivine, De Boeck Supérieur. Une analyse des potentialités et limites de l’IA, l’auteur penche plutôt vers le mirage que vers le miracle.
Encyclopédie en ligne
Usez et abusez de l’encyclopédie en ligne Wikipédia. Par exemple, les articles :
La part d’Internet dans la consommation de l’énergie mondiale est toujours croissante. Quel est l’impact écologique d’Internet sur la Planète ? Comment le calcule-t-on ?
Ces questions sont l’occasion de revenir sur la notion d’énergie. L’énergie se présente sous différentes formes, mais elles n’ont pas toutes la même qualité. L’entropie permet de caractériser la part de l’énergie qui est inutilisable et donc de déterminer la notion d’énergie libre.
La planète Terre reçoit d’énormes quantités d’énergie du Soleil. Seule un petite partie apparait sous forme d’énergie libre, qui est à la source de toute la dynamique terrestre : dynamique de l’atmosphère, de la biosphère, des activités humaines, donc … d’Internet.
La vidéo expose les différents mécanismes de la planète Terre pour maximiser son énergie libre et donc contrôler son entropie. Internet est une activité humaine qui pèse 2% de la consommation totale d’énergie libre ; même en forte croissance, Internet pourrait avoir un impact mineur sur l’équilibre terrestre et son climat, dans la mesure où toute sn cycle d’activité (fabrication des machines, alimentation des ordinateurs et serveurs, alimentation des lignes, déconstruction) devient en totalité alimentée en électricité d’origine non carbonée.
Voir la présentation Powerpoint ou pdf , et la vidéo sur YouTube
Comprendre la complexité du monde à partir de ses composants ultimes est l’enjeu de la Science moderne. Cette section est la présentation générale du cours à l’Université permanente de Nantes que vous trouverez à la page « Comprendre le monde … autrement « .
Depuis les Grecs, les savants ont cherché à dominer la complexité apparente de notre monde. Du moins à notre échelle, car les Grecs admiraient la régularité des mouvements des étoiles (un peu moins celle des planètes) par comparaison avec le désordre de notre monde sub-lunaire.
Empédocle et Aristote distinguaient 4 composants de bases. La combinaison de ces éléments et de leurs propriétés permettait déjà une première classification des « choses » observables sur Terre. Il était admis que ces éléments sont constitués de particules ultimes (« atomes » insécables). Mais c’était plus une idée philosophique, car les atomes étaient considérés comme inaccessibles à toute expérience sensible.
A partir du XVIIème siècle et avec le développement des instruments scientifiques, les physiciens ont commencé l’exploration du monde à des échelles de plus en plus petites. Cette démarche réductionniste a abouti au modèle standard des particules élémentaires. Ce modèle pose que les constituants ultimes de la matière sont des quarks et des leptons, avec des bosons porteurs des 4 forces fondamentales. Pour en savoir plus, voir le cours sur le site.
Vers la théorie du Grand Tout
Le modèle standard, sans être la théorie du Grand Tout, permet de décrire de façon précise et très prédictive la dynamique des particules élementaires et leurs interactions. Alors la Physique a-t-elle réussi ? Ne reste-t’il que des problèmes marginaux à résoudre, comme (excusez du peu !) la composition de la matière noire qui semble ne pas rentrer dans le modèle standard, ou marier la Relativité et la Mécanique Quantique pour mieux comprendre le Big Bang ? Il y a là des enjeux formidables qui occupent des cohortes de théoriciens et d’expérimentateurs, sans grands succès depuis des dizaines d’années.
Mais ces paris réussis, cela veut-il dire que nous serons capables de « reconstruire » la complexité du monde à partir de ses composants. Reconstruire la composition d’une cellule vivante et prédire son comportement à partir des quarks et des électrons qui la composent, est-ce possible ? Sans parler du fonctionnement du cerveau humain.
Les sytèmes complexes
En même temps, qu’ils progressaient dans leur démarche réductionniste, les physiciens se rendaient compte de la difficulté du processus inverse : réinventer le monde à partir de ses « atomes ».
Mais, est-ce que la connaissance des constituants et lois ultimes de l’Univers permettra la réalisation du rêve prométhéen de tout comprendre, tout embrasser, tout prévoir. Dans le même temps que progressait notre quête de l’Unité, se dressait le mur de la Complexité, c’est-à-dire les difficultés théoriques et pratiques pour maîtriser la connaissance des systèmes à partir de leurs composants.
Reconstruire le monde et sa complexité
Après une synthèse des succès et échecs dans la quête de l’Unité (voir la section » comprendre le monde « ), le cours se propose d’exposer les enjeux et méthodes de l’étude des systèmes complexes : les différentes « couches » de complexité à partir de l’infiniment petit ; la notion d’émergence ; l’existence et les lois du hasard ainsi que les modèles pour simuler les phénomènes aléatoires. Les principes des modèles à automates, et en particulier les systèmes neuronaux seront exposés.
En particulier, la vidéo ci-dessous qui illustre l’articulation des sciences de la « simplicité » (ce qui ne veut pas dire faciles) et celles de la « complexité ».
De la physique de la simplicité à celle de la complexité
Née au début du 20ème siècle, la mécanique quantique est à la base des technologies actuelles : des télécommunications à l’informatique. Avec l’ordinateur quantique, elle peut révolutionner notre avenir. Les présentations suivantes vont vous permettre de mieux comprendre cette théorie scientifique très efficace, mais qui défie toute représentation mentale.
Les vidéos du cours sont disponibles sur la chaîne YouTube « La Science de Bernie« ; Saison 2 » La mécanique quantique« . A la fin de chaque chapitre, les boutons pdf, ppt et vidéo donnent accès aux différentes ressources :
pdf : présentation sans animations
ppt : présentation lisible avec Powerpoint, avec animations et effets dynamiques
vidéo : vidéo accessible sur YouTube
Un manuel de survie mathématique pour découvrir ou retrouver les bases mathématiques utiles à la compréhension du cours: en version pdf, version powerpoint.
A la fin de cette page, on trouvera une bibliographie sommaire pour aller plus loin.
Les grands domaines de physique se classent selon la taille des objets en considération et de leur énergie (vitesse). Le cours traite principalement de la mécanique quantique non relativiste.
La Mécanique Quantique s’est considérablement développée tout au long du XXème siécle, mais elle pose toujours des problèmes quasi-philosophiques non résolus sur la nature du Réel. Elle s’appuie sur tous les développements de la Mécanique « classique » qui, de Galilée/Newton à Maxwell/Poincaré, en a créé les bases intellectuelles et mathématiques. pour commencer regardez la bande-annonce de cette partie du cours.
Galilée peut être considéré comme l’un des fondateurs de la Physique moderne. La mécanique classique a été formalisée par Newton pour le mouvement des planètes. La mécanique de Newton, est basée sur la notion de force à distance ; proche de la représentation que l’on peut se faire des systèmes.
Les limites de la mécanique newtonienne ont été dépassées au XVIIIème et XIX ème siècles par les formalismes de Lagrange et de Hamilton, basés sur des principes très généraux (comme le principe de moindre action). Ces principes plus abstraits se sont révélés plus adaptables aux nouvelles théories émergentes comme la Relativité ou la Mécanique Quantique.
Sans la réduire à cela, la mécanique classique a étudié, jusqu’à la fin du XIXème siècle, les propriétés de 2 grandes catégories d’objets : les corpuscules et les ondes.
Les propriétés fixes des particules classiques sont déterminées par leur lien avec les 2 interactions fondamentales connues alors : la gravitation universelle et l’électro-magnétisme.
Nous classifions leurs propriétés statiques et dynamiques en lien avec les 2 interactions fondamentales connues alors : la gravitation universelle et l’électro-magnétisme. Ceci en vue de leur comparaison avec les objets quantiques du chapitre suivant.
Les propriétés statiques et dynamiques des objets quantiques sont présentées en lien avec les 4 interactions fondamentales (gravitation, électromagnétisme, nucléaire fort et nucléaire faible).
La notion de fonction d’onde est centrale avec la dualité onde-corpuscule. Les propriétés de symétrie des fonctions d’onde introduisent les 2 familles de bosons et de fermions, avec le principe d’exclusion de Pauli pour les fermions.
Les propriétés statiques des objets quantiques sont définies à partir de leur réponse aux 4 forces fondamentales et de leurs symétries internes (comme le spin). Le modèle standard des particules élémentaires – le plus abouti à ce jour- permet de dresser la table des constituants élémentaires de l’Univers.
Les états liés des particules (ou états confinés pour être en accord avec la situation de mars 2020) caractérisent les particules qui occupent une région limitée de l’espace. Les contraintes qui en résultent sur la fonction d’onde imposent que l’objet ne peut occuper que des états d’énergie discrets (quantifiés). C’est le cas en particulier des nucléons (protons et neutrons) dans les noyaux atomiques et des électrons dans les atomes. Les états quantifiés de l’atome sont à l’origine de leurs propriétés d’émission et d’ absorption de la lumière (visible ou invisible), et donc de l’effet laser.
La plus connue des équations permettant le calcul de la fonction d’onde d’un objet quantique est l’équation de Schrödinger. Elle est valable pour les objets ayant une masse non nulle et d’énergie non relativiste. La résolution de cette équation permet de décrire par exemple l’effet tunnel ou les niveaux d’énergie de l’atome d’hydrogène. L’analyse de l’expérience des fentes d’Young permet d’aborder la dualité onde-corpuscule.
Les différentes interprétation de la Mécanique quantique
Bien que techniquement très développée, la Mécanique quantique pose toujours des problèmes d’interprétation ; en particulier le phénomène de réduction de la fonction d’onde lors d’une mesure en laboratoire.
Supplément au Ch IV – Equations d’onde – solutions de l’équation de Schrödinger
Le supplément présente des calculs détaillés de solutions de l’équation de Schrödinger. D’une part, l’oscillateur harmonique à une dimension, solution qui permet d’aborder les opérateurs de création et d’annihilation nécessaires pour aborder la seconde quantification. D’autre part, à trois dimensions, la classe des solutions pour les potentiels centraux (à symétrie sphérique) qui introduit les harmoniques sphériques et leurs propriétés de base.
Des propriétés nouvelles émergent lorsque l’on associe des particules quantiques dans des systèmes. Quels sont les liens des forces effectives intervenant dans les sytèmes complexes avec les interactions fondamentales ? C’est le cas notamment des nucléons dans le noyau atomique ou les électrons dans les atomes ou les semiconducteurs (systèmes de fermions).
Liens entre les interactions dans les systèmes complexes avec les interactions fondamentales
La supraconductivité est reliée aux propriétés des systèmes de bosons à basse température. Enfin le phénomène d’intrication quantique -outre les problèmes d’interprétation qu’il pose- est à la base des technologies émergentes comme l’ordinateur quantique ou la cryptographie.
Malgré ses succès, l’équation de Schrodinger souffre de sévères limitations. Elle n’est pas compatible avec la Relativité restreinte, (basse énergie) ; les champs de forces dans lesquels se meuvent les objets quantiques sont eux traités de manière classique.
Depuis cent ans, des efforts inouïs ont été faits pour élaborer une théorie globale capable de traiter l’infiniment petit à toutes les énergies. Les théoriciens butent toujours sur le mariage de la Relativité Générale et de la Mécanique Quantique – la fameuse théorie du Tout – essentielle pour étudier les débuts de notre Univers (Big Bang).
La relativité générale et la mécanique quantique donnent deux visions du monde physique, basées sur un ensemble restreint de principes, de symétries et d’équations. Ces 2 théories unitaires dépendent de grandeurs fondamentales que l’on ne peut calculer qu’à partir de l’expérience.
La dynamique de l’Univers – et sa capacité à générer des êtres vivants- dépend de manière critique de ces paramètres fondamentaux. Se pose la question fondamentale : sommes-nous un accident ou un objectif de cet Univers.
La mécanique quantique repose sur des outils mathématiques très sophistiqués. Un manuel de survie mathématique pour découvrir ou retrouver les bases mathématiques utiles à la compréhension du cours: en version pdf, version powerpoint.
Bibliographie
Exposés des principes et méthodes de la mécanique quantique
« Le Monde Quantique », Michel le Bellac, EDP Sciences. Une excellente introduction.
« Mécanique quantique », Claude Cohen-Tannoudji, Bernard Diu, Franck Laloë. En 3 tomes et 2400 pages, un exposé complet et rigoureux de la Mécanique quantique.
» Le boson et le chapeau mexicain » G. Cohen-Tannoudji & M. Spiro, Folio essais, un exposé de l’histoire de la physique des particules jusqu’à la découverte expérimentale du boson de Higgs.
» La révolution inachevée d’Einstein « , L. Smolin, Dunod, à partir de l’histoire de la mécanique quantique, analyse critique des différentes interprétations.
» L’écume de l’espace-temps « , JP Luminet, Odile Jacob, Analyse des différents modèles visant à réconcilier la mécanique quantique et la relativité générale
» Rien ne va plus en Physique ! « , L Smolin, Points-Dunod, analyse un peu pessimiste des échecs des théories, comme la théorie des cordes, visant à réconcilier la mécanique quantique et la relativité générale
Ondes, énergie, temps et espace, mécanique quantique sont 4 domaines de la physique, qui font l’objet de débats dans nos sociétés modernes.
Les présentations sont des supports d’exposés oraux qui traitent des Ondes (en lien avec les débats actuels sur le développement des objets connectés (téléphones mobiles, compteurs Linky, etc.); de l’énergie avec les recherches actuelles de ressources pérennes et non-polluantes et de l’entropie dont le CO2 dans l’atmosphère est la manifestation la plus éclatante ; les Relativités qui- sans bouleverser notre quotidien- nous éclairent sur l’histoire de notre Univers ; enfin la Mécanique Quantique qui est à la base de nos sociétés et de notre économie et pose des problèmes non résolus à l’entendement humain.
Des vidéos sur ces thèmes sont accessibles sur la chaîne YouTube (bouton ci-dessous, n’hésitez pas à vous abonner). Une bibliographie sommaire est accessible à la fin de la page.
Une présentation du cours est accessible via le bouton ci-dessous :
Quels sont les principaux types d’ondes ? Comment les caractériser ? Comment agissent-elles sur la matière, sur le vivant ? Sont-elles dangereuses ou bénéfiques ? Existe-t-il des ondes encore inconnues ? Voilà les questions abordées dans ce chapitre. Liens vers les documents pour le cours (présentation – vidéos)
Les ondes sont émises ou absorbées de manière ordonnée ou désordonnée
Une conférence grand public de janvier 2022 traite de cette question, on trouvera les textes et vidéo de cette conférence à la page : » Les ondes, la 5G et nous « .
Chapitre 2 l’Energie… et l’entropie
Une fois exposées les différentes formes de l’énergie et ses lois de conservation, nous définirons des critères de qualité. La concentration et la disponibilité dans l’espace sont essentielles.
Mais pourquoi le rendement des moteurs thermiques est-il limité alors que celui des moteurs électriques tend vers 100% ? L’entropie caractérise la facilité (ou plutôt la difficulté) des différentes sources à mobiliser leurs énergies, et plus généralement leur degré de désordre. La chaleur apparait comme la forme la plus entropique -donc- dégradée des différentes énergies. La croissance inéluctable de l’entropie des systèmes isolés se traduit à notre échelle par la flèche du temps.
Et si la crise de l’énergie de la planète était d’abord une crise de l’entropie ? Pour en savoir plus: les documents du cours en version pdf et version ppt , et les vidéos sur YouTube..
Une conférence grand public de janvier 2022 traite plus spécifiquement de la crise de l’énergie en 2022, on trouvera les textes et vidéo de cette conférence à la page : » La crise de l’énergie « .
Chapitre 3 Le Temps et l’Espace (les relativités)
La détection des ondes gravitationnelles a fait récemment la une des journaux. Une « photo » d’un trou noir a été publiée (en fait une reconstitution en fausses couleurs des ondes radios émises par l’environnement du trou noir). Ce sont des preuves éclatantes de théories élaborées au début du XXème siècle; respectivement la relativité restreinte et la relativité générale.
Ces théories -au départ purement spéculatives- démontrent l’unité du Temps et de l’Espace, qui ne sont pas des entités immuables. Einstein a démontré que l’énergie conditionne le Temps et l’Espace et réciproquement. Ces théories permettent d’écrire l’histoire de l’Univers presque depuis son début (Big Bang) et de dessiner différents scénarios de son futur.
Pour en savoir plus: les documents du cours en version pdf et version ppt, et la vidéo sur YouTube.
Les 4 acteurs de la Physique, unifiés en Relativité Générale
Chapitre 4 Le monde quantique
La mécanique quantique, élaborée au début du siècle dernier, est une théorie physique extrêmement efficace pour prédire le comportement de l’infiniment petit et développer les technologies à la base de notre société (téléphonie, télévision, internet, etc.).
Mais elle pose des problèmes non résolus sur la nature du monde réel. A partir du modèle de Schrödinger, valable aux basses énergies, un demi-siècle d’efforts des théoriciens pour rendre la théorie valable à toutes les énergies, et surtout compatible avec la relativité générale n’ont pas encore abouti.
Pour en savoir plus: les documents du cours en version pdf et version ppt, et la vidéo sur YouTube.
« Au-delà de la physique, l’émergence de la vie » (Dunod) de S.A. Kauffman : un point de vue d’un biologiste, selon lequel, la physique ne peut expliquer l’origine de la vie.
« Le grand tout, sur l’origine de la vie, son sens et l’univers lui-même » (Quanto) de S.Carroll.
