En utilisant des impulsions lumineuses sur mesure et de puissantes techniques de rayons X, les scientifiques ont découvert comment créer des états quantiques induits par la lumière et à longue durée de vie dans un matériau en oxyde de cuivre —quelque chose dont on pensait auparavant qu’il ne durait que des milliardièmes de seconde.
La vitesse du son, ou célérité du son, est la vitesse de propagation des ondes sonores dans tous les milieux gazeux, liquides ou solides. Elle peut donc être déterminée pour des matériaux autres que l’air, dans lesquels le son ne peut être perçu par l’oreille humaine.
Dans un fluide quelconque, quelles que soient les conditions de pression et température, la vitesse du son dépend de la compressibilité isentropique et de la masse volumique du milieu de propagation de l’onde. Dans la plupart des fluides, et notamment dans l’air, elle dépend très peu de la fréquence et de l’amplitude de la vibration.
Pour les gaz sous des pressions proches de la pression atmosphérique le modèle des gaz parfaits est applicable. La vitesse du son ne dépend alors que de la température. La formule c = 20 , 05 T en donne une approximation dans l’air sec en m/s, avec T la température en kelvins. La vitesse du son dans l’air à 15 °C au niveau de la mer est d’environ 340 m/s (soit 1 224 km/h). Dans l’eau le son se propage plus de quatre fois plus vite, à environ 1 500 m/s (soit 5 400 km/h). Dans le fer doux la vitesse du son est d’environ 5 960 m/s (soit 21 456 km/h).
Lorsque deux trous noirs entrent en collision pour former un nouveau trou noir plus grand, ils agitent violemment l’espace-temps autour d’eux, envoyant des ondulations, appelées ondes gravitationnelles, vers l’extérieur dans toutes les directions. ils agitent violemment l’espace-temps autour d’eux, envoyant des ondulations, appelées ondes gravitationnelles, vers l’extérieur dans toutes les directions.
En un signal électrique avec une efficacité étonnante de 200 % un chiffre apparemment impossible qui a été atteint grâce à l’étrangeté de la physique quantique.
Telle est la sensibilité de l’appareil connu sous le nom de photodiode, l’équipe responsable de son innovation affirme qu’il pourrait potentiellement être utilisé dans une technologie qui surveille les signes vitaux d’une personne (y compris le rythme cardiaque ou la fréquence respiratoire) sans que rien n’ait besoin d’être inséré ou même attaché au corps.
Le but de la physique est de comprendre comment l’Univers et tout ce qu’il contient se comporte.
L’une des façons dont nous essayons de le faire est de poser des questions, et au fur et à mesure que j’étudiais la physique, la question qui semblait être au cœur de tout cela était :
« Qu’est-ce que la matière et comment interagit-elle pour créer tout ce qui nous entoure ? y compris nous-mêmes ? » Je suppose que j’essayais de comprendre le sens de ma propre existence.
Plutôt que d’étudier la philosophie, je m’y suis pris de manière plus indirecte : je me suis mis à essayer de comprendre tout l’Univers.
Les gens ont posé des questions sur la nature de la matière pendant des millénaires, mais ce n’est qu’au cours des 120 dernières années que cette curiosité nous a finalement conduit à des réponses. Aujourd’hui, notre compréhension des plus petits constituants de la nature et des forces qui les régissent est décrite par le domaine de la physique des particules, l’une des aventures les plus impressionnantes, les plus complexes et les plus créatives que les humains aient jamais entreprises.
Aujourd’hui, nous avons une connaissance intime de la matière physique de l’Univers et de la façon dont tout cela s’emboîte.
Nous avons découvert que la réalité a une richesse et une complexité que les humains n’auraient jamais pu imaginer il y a quelques générations.
Nous avons renversé l’idée que les atomes étaient les plus petits morceaux de notre monde et avons découvert des particules fondamentales qui ne jouent aucun rôle dans la matière ordinaire, mais qui semblent nécessaires sur la base des mathématiques qui, quelque peu miraculeusement, décrivent notre réalité.
En quelques décennies seulement, nous avons appris à assembler toutes ces pièces, de l’explosion d’énergie au début de l’Univers aux mesures les plus précises de la nature.
Notre vision des plus petits constituants de la nature a changé rapidement au cours des 120 dernières années : de la radioactivité et de l’électron, au noyau atomique et au domaine de la physique nucléaire, en passant par le développement de la mécanique quantique (qui décrit la nature aux plus petites échelles) . Vers le début du XXe siècle, ce travail est devenu connu sous le nom de « physique des hautes énergies », à mesure que de nouvelles particules ont été découvertes et que l’attention s’est éloignée du noyau atomique.
Aujourd’hui, l’étude de toutes les nombreuses particules et de la façon dont elles se forment, se comportent et se transforment s’appelle simplement la physique des particules.
Nous avons découvert que la réalité a une richesse et une complexité que les humains n’auraient jamais pu imaginer il y a quelques générations.
Le modèle standard de la physique des particules classe toutes les particules connues dans la nature et les forces par lesquelles elles interagissent.
Il a été développé par de nombreux physiciens différents au fil des décennies et notre version actuelle a vu le jour dans les années 1970. Cette théorie est un triomphe absolu : elle est mathématiquement élégante et incroyablement précise, mais tient sur le côté d’une tasse.
En tant qu’étudiant, j’ai été attiré par la façon dont le modèle standard semblait décrire complètement le fonctionnement de la nature à un niveau fondamental.
Le modèle standard nous dit que toute la matière qui compose notre existence quotidienne est composée de seulement trois particules.
Nous sommes constitués de deux types de quarks appelés « Haut » et « Bas » qui forment nos protons et nos neutrons.
Ces deux types de quarks ainsi que les électrons forment des atomes, maintenus ensemble par des forces :
l’électromagnétisme et les forces nucléaires fortes et faibles. C’est ça. C’est nous et tout ce qui nous entoure.
Pourtant, bien qu’ils ne soient composés que de quarks et d’électrons, nous, les humains, avons en quelque sorte compris qu’il y a bien plus dans la nature que cela.
Notre triomphe de la connaissance ne s’est pas fait uniquement par des sauts conceptuels et théoriques.
Le stéréotype d’un génie solitaire théorisant à un bureau est largement incorrect. Depuis plus d’un siècle, des questions comme « Qu’y a-t-il à l’intérieur de l’atome ? », « Quelle est la nature de la lumière ? » et « Comment notre univers a-t-il évolué? »
ont été abordés par les physiciens de manière tout à fait pratique.
La raison pour laquelle nous pouvons dire aujourd’hui que nous savons tout cela, que nous pensons que nos modèles théoriques représentent la réalité, n’est pas parce que nous avons de jolies mathématiques mais parce que nous avons fait des expériences.
Alors que beaucoup d’entre nous ont l’idée que les protons, les neutrons et les électrons composent le monde qui nous entoure, on dit très peu de choses sur la façon dont nous avons appris la matière et les forces et, enfin, tout.
Un proton est un million de millions de fois plus petit qu’un grain de sable et il est loin d’être évident de savoir comment nous procédons pour travailler avec la matière à une si petite échelle.
C’est l’art de la physique expérimentale : suivre notre curiosité depuis le germe d’une idée, jusqu’à un véritable équipement physique, jusqu’à l’accumulation de nouvelles connaissances.
Cette soirée sur le site du ciel noir, cette compréhension que j’aimais davantage la physique quand j’en ai fait l’expérience de première main, m’a conduit vers l’idée d’être un physicien expérimental.
Alors que les physiciens théoriciens peuvent se délecter des possibilités mathématiques, les expériences nous emmènent à cette effrayante frontière de vulnérabilité : le monde réel.
Alors que les physiciens théoriciens peuvent se délecter des possibilités mathématiques, les expériences nous emmènent à cette effrayante frontière de vulnérabilité :
le monde réel. C’est la différence entre la théorie et l’expérience. Alors que les idées d’un physicien théoricien doivent tenir compte des résultats des expériences, un physicien expérimental a un travail plus nuancé. Elle ne se contente pas de tester les idées des physiciens théoriciens ;
elle pose ses propres questions et conçoit et construit physiquement des équipements qu’elle peut utiliser pour tester ces idées.
L’expérimentateur doit comprendre et être capable d’utiliser la théorie, mais il ne doit pas être contraint par elle.
Elle doit rester ouverte à trouver quelque chose d’inattendu et d’inconnu.Elle doit aussi comprendre bien d’autres choses :
ses connaissances pratiques vont de l’électronique à la chimie, de la soudure à la manipulation de l’azote liquide.Elle doit ensuite combiner ces choses ensemble pour lui permettre de manipuler la matière qu’elle ne peut pas voir. La vérité est que les expériences sont difficiles et que le processus implique de nombreux faux départs et échecs.
Il faut un certain type de curiosité et de personnalité pour vouloir faire cela. Pourtant, tout au long de l’histoire, beaucoup ont eu la passion et la persévérance de le faire.
Au cours du siècle dernier, les expériences que les scientifiques ont utilisées en physique des particules sont passées de configurations à une seule pièce dirigées par une seule personne aux plus grandes machines de la Terre. L’ère de la « Big Science », qui a commencé dans les années 1950, s’est maintenant développée pour produire des expériences qui impliquent des collaborations de plus d’une centaine de pays et des dizaines de milliers de scientifiques.
Nous construisons des collisionneurs de particules souterrains constitués de plusieurs kilomètres d’équipements électromagnétiques de haute précision dans le cadre de projets qui s’étendent sur plus de vingt-cinq ans et coûtent des milliards de dollars.
Nous avons atteint un point où aucun pays individuel ne peut réaliser ces exploits seul. Grâce à cette recherche de nouvelles connaissances, nous comblons le fossé entre ce que nous savons être possible et ce que nous pensons être impossible.
Dans le même temps, nos vies quotidiennes ont subi une transformation tout aussi dramatique.
En 1900, la plupart des maisons étaient à vingt ans d’avoir l’électricité, les chevaux étaient le principal moyen de transport et la durée de vie moyenne au Royaume-Uni ou aux États-Unis était inférieure à cinquante ans. Aujourd’hui, nous vivons plus longtemps, en partie parce que lorsque nous tombons malades, l’hôpital dispose de scanners IRM, CT et PET pour aider à diagnostiquer les maladies et d’une gamme de médicaments, de vaccins et de gadgets de haute technologie pour nous soigner. Nous avons des ordinateurs, le World Wide Web et des smartphones pour nous connecter, qui ont créé des industries et des méthodes de travail entièrement nouvelles. Même les biens qui nous entourent sont conçus, augmentés et améliorés à l’aide de nouvelles technologies,
des pneus de nos voitures aux pierres précieuses de nos bijoux.
Quand on pense aux idées et aux technologies qui composent le monde moderne on associe rarement cela à la trajectoire parallèle de la physique expérimentale, mais elles sont intimement liées.
Tous les exemples ci-dessus sont issus d’expériences conçues pour en savoir plus sur la matière et les forces de la nature et cette liste ne fait qu’effleurer la surface. En seulement deux générations, nous avons appris à contrôler des atomes individuels pour construire des appareils informatiques si petits que même un microscope a du mal à les voir ;
utiliser la nature instable de la matière pour diagnostiquer et traiter les maladies ;
et voir à l’intérieur d’anciennes pyramides en utilisant des particules à haute énergie venues de l’espace.
Tout cela est possible grâce à notre capacité à manipuler la matière au niveau des atomes et des particules, des connaissances issues de recherches motivées par la curiosité.
J’ai choisi d’être physicien expérimental dans le domaine de la physique des accélérateurs :
je me spécialise dans l’invention d’équipements du monde réel qui manipulent la matière à cette échelle minuscule.
Les physiciens des accélérateurs découvrent constamment de nouvelles façons de créer des faisceaux pour en apprendre davantage sur la physique des particules, mais de plus en plus, notre travail contribue à d’autres parties de la société. Cela surprend encore les étudiants, les amis et le public lorsque je leur dis que leur hôpital le plus proche abrite presque certainement un accélérateur de particules, que leur smartphone repose sur la mécanique quantique et que leur capacité à naviguer sur le Web n’est possible que grâce aux physiciens des particules.
Nous construisons des accélérateurs de particules pour étudier les virus, le chocolat et les manuscrits anciens.
Notre compréhension détaillée de la géologie et de l’histoire ancienne de notre planète est le résultat de la recherche en physique des particules.
La recherche guidée par la curiosité nous emmène au-delà des limites de ce que nous savons et de ce que nous attendons, nous conduisant à des idées, des frontières et des solutions qui changent le cours de l’histoire. Grâce à cette recherche de nouvelles connaissances, nous comblons le fossé entre ce que nous savons être possible et ce que nous pensons être impossible.
C’est là que la curiosité mène à une innovation véritablement révolutionnaire. La physique, en particulier la physique des particules, offre peut-être les exemples les plus frappants de ce phénomène. Alors, comment une série d’expériences de physique a-t-elle conduit à tous ces aspects de notre monde moderne ?
