Audelà de lAtome INCROYABLE Plongée au Cœur de la Matière vers lInfiniment Petit  Documentaire - Vidéo Dailymotion

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Audelà de lAtome INCROYABLE Plongée au Cœur de la Matière vers lInfiniment Petit  Documentaire

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00:00:00 Vous êtes-vous déjà demandé sur quoi reposent les fondements de notre réalité ?

00:00:06 Et si je vous disais que le monde qui nous entoure est régi par des particules mystérieuses

00:00:12 et des dimensions invisibles ? Me croiriez-vous ? Rien n'est moins sûr.

00:00:17 Pourtant, la nature des forces et des éléments qui façonnent notre univers nous est inconnue.

00:00:23 Certes, les avancées scientifiques des siècles derniers nous ont permis de comprendre en

00:00:28 détail les événements qui se déroulent à l'échelle macroscopique.

00:00:32 Mais lorsque l'on s'aventure à de plus petites échelles, c'est comme si nous entrions

00:00:38 dans une réalité parallèle, dont le fonctionnement nous échappe.

00:00:41 Dans ce monde de l'infiniment petit, les lois de la physique et de la relativité que

00:00:47 nous connaissons n'ont plus cours.

00:00:49 À la place, on y trouve des particules étranges, parfois invisibles, qui interagissent de manière

00:00:56 si mystérieuse que l'on peine à croire qu'elles fonctionnent ainsi.

00:00:59 Physique quantique, théorie des cordes, supersymétrie, principe d'incertitude, autant d'expressions

00:01:07 qui tentent de décrire les mécanismes de cette réalité invisible pour en faciliter

00:01:12 sa compréhension.

00:01:13 Malheureusement, certains paramètres nous échappent toujours.

00:01:17 Et il est possible que les capacités intellectuelles de l'homme ne lui permettent jamais d'apprivoiser

00:01:23 les événements qui se tiennent au cœur des atomes.

00:01:25 Cela dit, tant que le mystère subsistera, les recherches se poursuivront, chaque découverte

00:01:33 soulevant irrémédiablement son lot de questions.

00:01:35 En cherchant à sonder le monde microscopique, les scientifiques ont tout de même pu s'aventurer

00:01:41 très loin dans ce que la nature a de plus petit.

00:01:44 S'il y a de ça quelques décennies, nous pensions que les atomes étaient des briques

00:01:49 insécables composant la matière, nous savons aujourd'hui que ces éléments abritent

00:01:54 un incroyable bestiaire de particules.

00:01:56 Quarks, gluons, bosons de Higgs, neutrinos, photons, il y a de quoi voir le vertige.

00:02:03 Dire que ces éléments sont minuscules est un pur euphémisme.

00:02:07 Pour le comprendre, faisons une comparaison d'échelle.

00:02:10 Les observations du cosmos nous indiquent que le diamètre de l'univers observable

00:02:16 est d'environ 93 milliards d'années-lumière.

00:02:19 Jusqu'à récemment, le nombre de galaxies dans l'univers était évalué entre 100

00:02:24 et 200 milliards.

00:02:25 Il y en aurait en fait 2000 milliards d'après les dernières estimations.

00:02:30 De fait, notre voie lactée n'est qu'une minuscule goutte d'eau au sein d'un océan

00:02:36 cosmique.

00:02:37 Pourtant, de notre point de vue, ces dimensions sont démesurées.

00:02:41 Elles dépasseraient les 100 000 années-lumière.

00:02:44 Une taille suffisante pour abriter entre 200 et 400 milliards d'étoiles et sans doute

00:02:50 plus de 100 milliards de planètes.

00:02:51 Parmi ces étoiles, il y a notre Soleil, près de 700 000 km de rayon, soit environ

00:02:59 109 fois le diamètre de la Terre.

00:03:01 Notre belle planète bleue, gigantesque à nos yeux, est en réalité invisible dans ce

00:03:06 cosmos.

00:03:07 Car si le système solaire était une ville d'une vingtaine de kilomètres, la Terre

00:03:12 ne serait guère plus qu'un grain de raisin.

00:03:14 Et pourtant, c'est plus de 8 milliards d'êtres humains qui vivent désormais sur cette dernière.

00:03:20 Mais encore une fois, les apparences sont trompeuses.

00:03:23 Car l'Homme est bien loin d'occuper tout l'espace disponible sur cette Terre.

00:03:28 Si nous regroupions l'ensemble des Hommes qui vivent actuellement, ils tiendraient sur

00:03:33 une surface équivalente à la ville de Los Angeles.

00:03:36 Ainsi, en comparaison d'une planète tellurique de taille modeste, l'Homme est un grain

00:03:41 de sable.

00:03:42 Si cette comparaison d'échelle vous donne un léger mal de tête, attendez donc la suite.

00:03:47 Car il est possible d'aller bien plus loin.

00:03:49 En effet, chaque être humain, aussi microscopique soit-il face au cosmos, est constitué d'environ

00:03:56 30 000 milliards de cellules.

00:03:58 Et ces petites cellules, observables uniquement au microscope, sont elles-mêmes constituées

00:04:03 de 100 000 milliards d'atomes.

00:04:05 Ce chiffre varie grandement d'une cellule à l'autre, mais il reste complètement

00:04:10 démesuré.

00:04:11 Attendez, nous pouvons encore aller au-delà.

00:04:14 En observant le cœur des atomes, on constate avec stupeur que ces derniers sont constitués

00:04:20 à 99,9% de vide.

00:04:24 En d'autres termes, les particules élémentaires qui donnent vie aux atomes n'occupent que

00:04:29 10 puissance -14% de leur structure.

00:04:32 Nous pouvons le dire, la matière est donc théoriquement constituée de néant.

00:04:37 Cela paraît fou, mais dans ce néant se cachent d'infimes éléments du monde quantique

00:04:43 qui donnent vie à la réalité que nous connaissons.

00:04:45 Et bien que nous soyons constitués d'atomes, leur nature profonde nous semble plus distante

00:04:52 encore que les confins de l'univers observable.

00:04:54 Ainsi, l'infiniment petit recèle bien des mystères.

00:04:59 Chers voyageurs, bien le bonjour.

00:05:03 Aujourd'hui, nous partons explorer le cœur de la matière dans l'infiniment petit.

00:05:08 Ensemble, nous tenterons de percer ses secrets en regardant littéralement au plus profond

00:05:14 de nous-mêmes.

00:05:15 Mais avant de partir pour une nouvelle aventure, pense à liker la vidéo et à t'abonner

00:05:20 à la chaîne pour ne rien manquer.

00:05:21 Merci et bon voyage.

00:05:24 Avant d'entamer notre périple vers le monde de l'infiniment petit, nous devons d'abord

00:05:35 observer le monde qui nous entoure.

00:05:36 Comme vous le savez, celui-ci est régi par des lois physiques qui nous paraissent immuables.

00:05:42 Notamment la relativité générale d'Albert Einstein, la mécanique newtonienne ou encore

00:05:49 l'électromagnétisme classique de Maxwell.

00:05:52 Mais pour descendre à l'échelle quantique, vous devrez oublier une bonne partie de ces

00:05:58 vérités générales.

00:05:59 Dans ce monde, on observe des phénomènes intriguants qui ne sont pas pris en compte

00:06:04 par les lois classiques de notre réalité.

00:06:06 Vous voulez un exemple ? Très bien, dans ce cas, connaissez-vous une personne qui soit

00:06:12 à la fois morte et vivante ? A part dans les films de zombies de George Romero, cela

00:06:18 est tout à fait impossible.

00:06:19 Ces deux états sont bien distincts, personne ne peut être à la fois décédé et en vie.

00:06:26 Du moins au sens propre du terme.

00:06:28 Mais en physique quantique, les choses sont tout autres.

00:06:33 Une particule peut exister simultanément dans plusieurs états différents.

00:06:37 Ce phénomène est appelé superposition quantique.

00:06:41 Il est d'ailleurs parfaitement illustré par la célèbre expérience de pensée du

00:06:51 chat de Schrödinger, formulée par le physicien du même nom en 1935.

00:06:56 Dans cette expérience, on imagine une boîte hermétiquement fermée contenant un chat,

00:07:03 un flacon de poison, un dispositif de détection de particules radioactives et un morceau de

00:07:09 matériau radioactif.

00:07:10 Lorsque le matériau radioactif se désintègre, il déclenche le dispositif de détection,

00:07:17 brisant ainsi le flacon de poison et entraînant la mort du chat.

00:07:21 Selon la physique quantique, avant que la boîte ne soit ouverte pour effectuer une

00:07:26 mesure, l'état du système, à savoir le chat, le matériau radioactif et le poison,

00:07:33 est décrit par une superposition quantique.

00:07:35 Cela signifie que le chat est théoriquement dans un état de superposition, à la fois

00:07:42 mort et vivant jusqu'à l'ouverture de la boîte.

00:07:46 Évidemment, cette drôle d'expérience ne reflète pas la réalité à l'échelle

00:07:51 macroscopique.

00:07:52 Mais elle nous permet de comprendre le phénomène de superposition propre aux particules subatomiques.

00:07:59 Vous trouvez cela étrange ? Pourtant, nous n'avons qu'effleurer la surface de

00:08:05 cette bizarrerie tapie dans le royaume de l'infiniment petit.

00:08:09 En son sein, on retrouve aussi l'intrication quantique.

00:08:12 Cette loi nous dit que lorsque deux particules sont intriquées, leur état quantique est

00:08:22 lié de manière indissociable, indépendamment de leur distance spatiale.

00:08:26 Et si deux particules sont dans un état d'intrication, seule une mesure nous permettra de savoir

00:08:32 quel état définitif elles vont adopter.

00:08:35 Or, une mesure faite sur l'une des deux particules va instantanément affecter l'état de sa

00:08:41 particule jumelle, même si les deux sont séparées par de grandes distances.

00:08:46 C'est un peu comme si les deux entités pouvaient communiquer de manière immédiate.

00:08:51 A une vitesse instantanée, qui dépasse donc celle de la lumière et qui remet en cause

00:08:58 les lois de la physique moderne.

00:08:59 On dit alors qu'il s'agit d'un phénomène de non-localité.

00:09:03 Tout cela vous semble peut-être très complexe.

00:09:07 Et c'est bien normal.

00:09:08 La physique dite quantique est totalement contre-intuitive.

00:09:13 Si bien que plus d'un physicien s'est arraché les cheveux pour essayer d'en percer ses secrets.

00:09:19 Mais rassurez-vous, nous reviendrons plus en détail sur ces spécificités au cours

00:09:25 de notre voyage.

00:09:26 En attendant, revenons-en au monde macroscopique qui nous entoure.

00:09:31 Tout comme Erwin Schrödinger, nous allons nous aussi faire une expérience de pensée.

00:09:40 Pour cela, nous allons imaginer que nous avons la capacité de pouvoir grandir et rétrécir

00:09:48 à volonté.

00:09:49 Un peu comme le super-héros Ant-Man de chez Marvel.

00:09:52 Grâce à ce pouvoir, nous pouvons nous rendre près du mont Everest, la plus grande formation

00:09:58 montagneuse de la croûte terrestre.

00:10:00 Son point le plus haut culmine à près de 9000 mètres d'altitude.

00:10:05 Nous allons donc grandir jusqu'à atteindre cette taille.

00:10:08 Disons que ce sera notre point de départ pour entamer notre descente vers les échelles

00:10:15 microscopiques.

00:10:16 Seulement, pour rétrécir, nous avons besoin de différents référentiels.

00:10:21 Dans ce cas, après la plus haute formation naturelle, il est logique de nous diriger

00:10:28 vers la plus grande construction humaine.

00:10:30 Pour ça, nous devons nous rendre à Dubaï, au niveau du Burj Khalifa.

00:10:36 Cette tour gigantesque fait 828 mètres de haut, soit presque trois fois plus que la

00:10:41 tour Eiffel et ses 300 mètres de hauteur.

00:10:43 A présent, descendons encore d'un niveau et mettons-nous à la taille du plus grand

00:10:49 animal terrestre, à savoir le rorcal bleu, une baleine qui peut atteindre les 30 mètres

00:10:55 de long et peser près de 200 tonnes.

00:10:58 Et cette même baleine se nourrit de planctons, c'est-à-dire d'un ensemble de très petits

00:11:04 organismes qui vivent en milieu aquatique.

00:11:07 Leur taille varie considérablement selon le type d'organisme, mais le plus petit

00:11:12 d'entre eux ne mesure pas plus de quelques micromètres.

00:11:15 Il est donc mille fois plus petit qu'un millimètre.

00:11:19 Grâce à notre superpouvoir, nous rétrécissons jusqu'à la taille des microplanctons pour

00:11:25 les observer.

00:11:26 Nous sommes à présent minuscules, mais nous sommes encore bien loin de l'atome.

00:11:32 Tout comme les bactéries et autres organismes unicellulaires, nous avons la taille d'une

00:11:38 cellule, mais nous devons encore changer d'échelle pour atteindre celle d'un virus.

00:11:43 Car oui, les virus sont beaucoup plus petits que les bactéries, bien que les deux soient

00:11:48 souvent associés à tort.

00:11:49 Les bactéries ont une taille de l'ordre du micromètre, elles sont donc facilement

00:11:55 observables au microscope optique.

00:11:57 Pour les virus, les choses sont bien différentes.

00:12:00 Ces derniers mesurent entre 20 et 300 nanomètres.

00:12:04 Ils sont donc dix à cent fois plus petits qu'une cellule.

00:12:09 Mais ne vous méprenez pas, car cette taille ridiculement petite les rend très dangereux.

00:12:14 Ces entités microscopiques sont composées de matériels génétiques, comme l'ADN

00:12:20 ou l'ARN.

00:12:21 On dit alors que ce sont des parasites intracellulaires, car ils se reproduisent à l'intérieur des

00:12:28 cellules hautes qu'ils infectent.

00:12:30 Bien qu'ils ne soient pas considérés comme des êtres vivants, ils peuvent quand même

00:12:35 se répliquer et se propager de manière autonome.

00:12:38 Bref, revenons-en à notre descente vers le monde de l'infiniment petit.

00:12:44 Si nous prenons la taille des plus petits virus, soit environ 20 nanomètres, nous sommes

00:12:51 toujours des géants face aux briques élémentaires qui composent la matière, les fameux atomes.

00:12:56 Leur taille est assez variable selon l'élément considéré, mais globalement elle est de

00:13:03 l'ordre de 10 puissance -10 mètres, soit 100 picomètres ou encore 0,1 nanomètre.

00:13:10 C'est notamment le cas de l'atome d'hydrogène, composé uniquement d'un proton et d'un

00:13:17 électron.

00:13:18 Il est deux fois plus petit qu'un atome de carbone, dont le diamètre est d'environ

00:13:22 0,2 nanomètre.

00:13:24 Cela dit, parler du diamètre d'un atome est une simplification grossière.

00:13:29 En réalité, cette taille est déterminée par la distribution des électrons autour

00:13:35 du noyau atomique.

00:13:36 L'essentiel de la masse d'un atome est concentré dans son noyau, qui est lui-même

00:13:41 constitué de protons et de neutrons.

00:13:43 Les électrons, quant à eux, sont beaucoup plus légers et occupent un volume plus étendu.

00:13:49 Ainsi, la taille d'un atome est déterminée en fonction du volume que peuvent occuper

00:13:55 les électrons autour du noyau.

00:13:56 C'est le nuage électrique.

00:13:59 Ces derniers se tiennent toujours à des distances fixes et quantifiées.

00:14:03 On parle alors de couche électronique externe.

00:14:07 Tout cela vous paraît sans doute assez complexe.

00:14:10 Pour illustrer cette répartition, prenons un exemple avec des éléments à l'échelle

00:14:16 macroscopique.

00:14:17 Imaginez que la Lune est un électron et que la Terre est le noyau d'un atome.

00:14:29 Dans cette hypothèse, la Lune peut orbiter autour de la Terre, mais uniquement sur certains

00:14:34 rayons bien définis.

00:14:35 Aussi, il faut imaginer qu'elle n'évolue pas sur un plan en deux dimensions, mais sur

00:14:41 la surface d'une sphère.

00:14:42 Sa position tient compte des trois dimensions de l'espace, mais toujours avec une distance

00:14:48 fixe par rapport à la Terre, qui correspond aux différentes couches électroniques externes.

00:14:53 La Lune peut potentiellement se trouver partout sur une de ces couches, avec des probabilités

00:14:59 de présence plus ou moins importantes à certains endroits.

00:15:02 Et le seul moyen de connaître sa position exacte est de faire une mesure.

00:15:08 En répétant les mesures un grand nombre de fois, on peut donc estimer les probabilités

00:15:13 de présence pour chaque zone de chaque couche.

00:15:16 C'est exactement le même principe avec les électrons qui gravitent autour des noyaux

00:15:21 atomiques.

00:15:22 Cette incertitude sur leur présence est de nature purement quantique.

00:15:27 En effet, dans la réalité, la Lune n'a pas du tout le comportement d'un électron.

00:15:33 Il est possible de déterminer sa position avec une très grande précision, simplement

00:15:39 par calcul et sans observation directe.

00:15:41 Mais du fait de la nature quantique des électrons, leur position exacte à un instant t nous

00:15:48 est toujours inconnue si aucune mesure n'est effectuée.

00:15:51 En physique, on parle alors d'orbital atomique.

00:15:55 C'est une fonction mathématique qui nous donne la probabilité de présence d'un

00:16:00 électron autour d'un noyau dans une région donnée.

00:16:02 Gardez bien en tête ces explications, car elles nous seront utiles pour la suite de

00:16:08 notre périple.

00:16:09 Elles nous permettent aussi de comprendre pourquoi les atomes, faussement représentés

00:16:14 comme des billes, sont en fait principalement constitués de vides.

00:16:18 Pour mieux le comprendre, revenons-en à notre atome d'hydrogène et rétrécissons

00:16:28 jusqu'à atteindre sa taille, soit 0,1 nanomètre.

00:16:33 A ce stade, nous nous rapprochons à grands pas de l'infiniment petit.

00:16:38 Et tenez-vous bien, car à 0,1 nanomètre, nous sommes plus petits face à l'homme

00:16:44 que l'homme ne l'est face au soleil.

00:16:45 Pour comprendre à quel point les atomes sont démesurément petits, nous pouvons également

00:16:51 donner l'estimation suivante.

00:16:53 Le corps d'un adulte moyen contiendrait 100 000 fois plus d'atomes qu'il n'y

00:16:58 a d'étoiles dans tout l'univers observable.

00:17:00 C'est-à-dire quelque chose comme 7 fois 10 puissance 27 atomes.

00:17:06 À l'annonce de ces chiffres, il est possible que votre cerveau soit en ébullition.

00:17:10 Mais pour vraiment observer les plus petits éléments de matière connus, nous devons

00:17:16 encore descendre jusqu'à atteindre son cœur.

00:17:19 Et encore une fois, la chute est vertigineuse.

00:17:22 Nous l'avons dit, le noyau d'hydrogène est composé d'un unique proton.

00:17:27 Or ce dernier n'est pas de l'ordre du picomètre, mais bien du femtomètre, soit

00:17:34 10 puissance -15 mètres.

00:17:36 Pour être plus précis, la taille d'un proton est de 0,877 femtomètre.

00:17:43 Le cœur de l'hydrogène est donc 100 000 fois plus petit que l'atome lui-même.

00:17:48 Pour vous donner une image, si le nuage atomique de l'hydrogène avait le diamètre d'un

00:17:54 stade de foot, son noyau ne serait pas plus gros qu'une bille placée au centre du terrain.

00:17:59 Quant à l'électron, il est considéré comme une particule élémentaire, c'est-à-dire

00:18:04 qu'il n'est pas constitué de parties plus petites.

00:18:07 Il est très difficile d'estimer sa taille, qui n'a d'ailleurs jamais été déterminée

00:18:12 avec précision.

00:18:13 Cependant, les scientifiques s'accordent pour dire qu'elle serait inférieure à

00:18:19 10 puissance -22 mètres.

00:18:22 Ainsi, pour reprendre notre exemple du stade de foot, si le proton est une bille au centre

00:18:28 du terrain, l'électron ne serait guère plus grand que le plus petit des virus.

00:18:32 Tout comme nous sommes incapables de nous représenter l'étendue infinie de notre

00:18:37 univers, nous sommes dans l'impossibilité de conceptualiser la taille des particules

00:18:42 les plus élémentaires.

00:18:44 Quoi qu'il en soit, après cette formidable descente vers le royaume de l'infiniment

00:18:50 petit, nous pouvons à présent nous plonger au cœur des atomes.

00:18:53 Nous voilà maintenant à l'échelle des atomes.

00:19:02 Mais avant de découvrir ce qui se cache dans leurs tréfonds, voyons d'abord comment

00:19:07 ils se comportent entre eux.

00:19:08 Comme vous le savez sans doute, toute la matière qui nous entoure est constituée d'atomes

00:19:13 et de molécules.

00:19:14 Nous pouvons interagir avec elles, et nos corps sont soumis aux mêmes lois physiques.

00:19:20 Hypothétiquement, il existe aussi d'autres formes de matière qui n'interagissent pas

00:19:25 avec les atomes que nous connaissons, la plus célèbre étant la fameuse matière noire.

00:19:30 Mais pour éviter de nous perdre dans les limbes du monde matériel, nous nous concentrerons

00:19:37 uniquement sur la matière connue.

00:19:38 Comme expliqué à l'instant, tout ce qui nous entoure est constitué d'atomes.

00:19:44 Votre corps, la nourriture que vous mangez, les vêtements que vous portez, l'air que

00:19:50 vous respirez, ou encore l'écran sur lequel vous regardez cette vidéo.

00:19:54 Mais pour former les innombrables types d'éléments que nous connaissons, les atomes doivent se

00:19:59 regrouper et s'associer.

00:20:01 C'est ainsi que naissent les molécules.

00:20:04 Par exemple, un atome d'hydrogène peut se lier avec un autre atome d'hydrogène pour

00:20:10 former du dihydrogène.

00:20:12 Deux atomes d'hydrogène peuvent aussi se lier avec un atome d'oxygène pour former

00:20:19 une molécule de monoxyde de dihydrogène, autrement dit une molécule d'eau.

00:20:24 C'est un peu comme si chaque atome était une brique Lego avec une forme propre.

00:20:29 Les briques pouvant être assemblées par certaines forces, déconstruites par d'autres,

00:20:35 et réassemblées pour créer un nouvel élément.

00:20:37 Ce cycle de création-destruction se produit à chaque instant, partout autour de nous.

00:20:45 Parfois, cela donne naissance à de petites molécules comme le dihydrogène, le dioxygène,

00:20:52 ou encore le diazote.

00:20:53 Chacune composée de deux atomes uniquement.

00:20:56 Mais dans d'autres cas, les molécules créées sont extrêmement longues et complexes.

00:21:01 On parle de macromolécules.

00:21:04 C'est notamment le cas des polymères, de longues chaînes de molécules aux propriétés

00:21:10 physiques intéressantes.

00:21:11 Il en existe des naturels comme l'amidon, contenu dans les céréales, ou encore les

00:21:17 acides nucléiques dans l'ADN.

00:21:19 Et il existe aussi des polymères de synthèse, les fameux plastiques tels que le polystyrène.

00:21:25 Or, l'une des plus grandes molécules est une protéine naturelle appelée titine ou

00:21:31 connectine.

00:21:32 C'est aussi la plus grande protéine connue.

00:21:35 Celle-ci joue un rôle crucial dans la structure et l'élasticité des muscles.

00:21:41 Si vous souhaitez la nommer sous sa dénomination scientifique, il vous faudra bien du courage.

00:21:46 Car son nom est composé de plus de 64 000 lettres.

00:21:50 Quant à sa taille, elle peut atteindre plusieurs micromètres en raison des quelques 30 000

00:21:56 acides aminés qui la composent.

00:21:58 Tout cela nous fait donc nous interroger sur les forces qui permettent aux atomes, pourtant

00:22:04 si petits, de se lier entre eux pour former des éléments aussi complexes que résistants.

00:22:09 Assez naïvement, on pourrait penser à la gravité.

00:22:13 Malheureusement, son intensité est liée à la masse des objets.

00:22:17 Les atomes ayant une masse quasi nulle, cette hypothèse est donc à exclure.

00:22:24 Mais alors, comment se lient-ils entre eux ?

00:22:27 Et bien, pour le comprendre, nous allons devoir nous replonger dans nos cours de physique

00:22:40 chimie.

00:22:41 Commençons par la liaison la plus connue, la liaison covalente.

00:22:44 Dans une liaison covalente, les atomes partagent une ou plusieurs paires d'électrons pour

00:22:51 atteindre une configuration électronique plus stable.

00:22:54 Les électrons partagés créent une attraction mutuelle entre les noyaux des atomes, maintenant

00:23:01 ainsi une liaison.

00:23:02 Pour le dire plus simplement, c'est comme si deux atomes mettaient en commun leurs ressources,

00:23:07 ici des électrons, pour garantir leur stabilité.

00:23:11 Disons que c'est un échange de bons procédés, si vous voulez.

00:23:14 La liaison covalente est la plus forte et la plus répandue des liaisons atomiques.

00:23:20 Mais il existe aussi des liaisons dites ioniques, qui reposent sur le même principe.

00:23:26 Ici, les atomes transfèrent complètement ou partiellement leurs électrons pour former

00:23:32 des ions positifs et négatifs.

00:23:34 Un ion, c'est tout simplement un atome qui porte une charge positive ou négative

00:23:41 en raison d'un manque ou d'un surplus d'électrons gravitant autour de lui.

00:23:45 Car oui, les électrons sont des particules dotées d'une charge électrique négative.

00:23:50 De ce fait, les forces d'attraction entre les ions de charge opposées maintiennent

00:23:56 les atomes ensemble.

00:23:57 Et est-ce que vous suivez toujours ? Normalement, oui.

00:24:02 Car jusque-là, nous n'avons pas abordé des sujets très complexes.

00:24:06 En revanche, lorsque notre voyage nous mènera vers les phénomènes quantiques, les choses

00:24:12 risquent de se corser.

00:24:13 Mais revenons-en à nos liaisons.

00:24:16 Outre les liaisons ioniques et covalentes, il existe aussi les liaisons métalliques.

00:24:22 Dans ce cas de figure, les atomes libèrent leurs électrons qui se trouvent sur la couche

00:24:28 la plus éloignée du noyau.

00:24:29 Celle-ci s'appelle la couche de valence.

00:24:33 Les électrons ainsi libérés virevoltent entre les atomes métalliques et créent une

00:24:39 attraction électrostatique entre les ions chargés positivement.

00:24:43 Cela donne lieu à des structures solides et malléables typiques des métaux.

00:24:48 Peut-être connaissez-vous également les forces de Van der Waals.

00:24:53 Celles-ci s'exercent entre les molécules à courte distance, mais leur impact est assez

00:24:58 faible en comparaison des liaisons précédentes.

00:25:01 Elles sont dues à des fluctuations temporaires dans la distribution de charges électriques,

00:25:08 ce qui crée une attraction.

00:25:09 Enfin, il y a les liaisons hydrogènes.

00:25:12 Elles entrent en jeu lorsqu'un atome d'hydrogène se lie à un élément très électronégatif.

00:25:18 C'est-à-dire un élément capable d'attirer très fortement les électrons à lui, comme

00:25:25 l'oxygène, l'azote ou encore le fluor par exemple.

00:25:29 Dans cette configuration, l'atome d'hydrogène développe une légère charge positive, car

00:25:36 son électron est partiellement capturé par un autre atome.

00:25:39 Il se forme alors une liaison électrostatique, dite liaison hydrogène.

00:25:44 Ces liaisons sont plus fortes que les forces de Van der Waals et sont à l'origine de

00:25:51 nombreux phénomènes biologiques et chimiques.

00:25:53 Par exemple, elles permettent à l'eau de former des gouttelettes qui adhèrent aux

00:25:58 surfaces.

00:25:59 C'est aussi cette force qui permet aux geckos de grimper aux murs.

00:26:04 Les liaisons hydrogènes interviennent même dans la stabilité des protéines ou dans

00:26:09 la structure de l'ADN.

00:26:11 Ainsi, même sans rentrer au cœur des atomes, nous constatons que ces derniers sont incroyablement

00:26:18 complexes.

00:26:19 Ils obéissent à des forces qui leur sont propres et qui donnent lieu aux lois de la

00:26:24 matière que nous observons à notre échelle, sans pour autant que nous soyons capables

00:26:28 de les comprendre.

00:26:29 Et maintenant que nous avons vu comment les atomes se comportent entre eux, il est temps

00:26:34 de poursuivre notre voyage en les observant de manière isolée.

00:26:38 Tout comme il existe des individus de grande taille et d'autres plus petits, les atomes

00:26:44 se déclinent sous différentes formes.

00:26:45 Ces formes sont caractérisées par le nombre d'électrons qu'ils possèdent et les

00:26:51 éléments qui constituent leurs noyaux.

00:26:52 Ces éléments sont appelés nucléons, mais vous les connaissez sans doute mieux sous

00:26:57 le nom de protons et de neutrons.

00:26:59 Plus un noyau atomique possède de nucléons, plus l'atome qui le porte est massif.

00:27:05 De fait, l'hydrogène, qui ne possède qu'un proton, est l'atome le plus léger.

00:27:10 Quant à l'atome le plus lourd, il s'agit de l'uranium-238.

00:27:15 Son noyau contient 92 protons et 146 neutrons.

00:27:19 Bien qu'étant le plus massif du bestiaire atomique, sa masse reste ridiculement faible

00:27:26 à notre échelle, environ 4 fois 10 puissance -25 kg.

00:27:30 Et si vous vous demandez quel est son diamètre, il est de 350 picomètres, soit 0,35 fois

00:27:39 10 puissance -10 m.

00:27:41 Malgré tout, il reste quand même le roi des atomes que l'on peut trouver à l'état

00:27:46 naturel.

00:27:47 Car d'autres éléments, encore plus imposants, ont été créés en laboratoire.

00:27:51 Notamment le gannesson, qui est officiellement l'élément le plus lourd du tableau périodique.

00:27:57 Synthétisé artificiellement pour la première fois en 2002, il est très instable et se

00:28:04 désintègre en moins d'une milliseconde.

00:28:06 A l'heure actuelle, beaucoup de scientifiques estiment qu'il est impossible de créer

00:28:11 un nouvel élément plus lourd, mais d'autres maintiennent le contraire.

00:28:14 Toujours est-il que pour éviter de complexifier inutilement les choses, nous poursuivrons

00:28:21 notre aventure au cœur d'un atome simple, l'atome d'oxygène.

00:28:25 Ce dernier contient 16 nucléons, soit 8 protons et 8 neutrons.

00:28:34 Autour de ce noyau dur gravitent 8 électrons.

00:28:37 Ces derniers forment ce que l'on appelle le nuage périphérique de l'atome.

00:28:44 Étant donné que les électrons sont des particules chargées négativement, ils sont attirés

00:28:49 par les protons chargés positivement.

00:28:51 Un peu comme les pôles nord et sud, d'un aimant s'attire l'un l'autre.

00:28:57 De fait, cette attraction de nature électrostatique maintient l'intégrité structurelle de l'atome

00:29:03 dans un parfait équilibre des charges.

00:29:05 Car oui, si les atomes se lient entre eux via différentes forces de cohésion, d'autres

00:29:11 forces sont également à l'œuvre pour assurer la stabilité de ces derniers.

00:29:15 Faisons un peu de physique élémentaire.

00:29:17 A l'heure actuelle, on estime que 4 grandes forces régissent notre univers.

00:29:22 Ces dernières sont appelées les interactions fondamentales.

00:29:27 A l'échelle macroscopique, les deux interactions les plus présentes sont la gravitation et

00:29:33 l'électromagnétisme.

00:29:34 Mais au centre des atomes, d'autres forces prennent le relais.

00:29:38 Ce sont les interactions nucléaires fortes et faibles.

00:29:42 L'interaction forte assure la cohésion du noyau atomique.

00:29:47 Cette force est extrêmement puissante et agit entre les nucléons.

00:29:51 Elle maintient les protons ensemble malgré la répulsion électrostatique due à leur

00:29:57 charge positive.

00:29:59 Toujours pour reprendre l'exemple des aimants, vous avez sans doute déjà essayé de coller

00:30:04 deux aimants de même pôle qui tendent à se repousser.

00:30:07 Ici, on peut faire l'analogie suivante.

00:30:10 Les aimants qui se repoussent sont les protons, et vos mains qui exercent une pression pour

00:30:15 les coller sont la force nucléaire forte.

00:30:18 Tout comme la gravitation est assurée par des ondes gravitationnelles, dont l'existence

00:30:23 a été démontrée il y a peu, la force nucléaire forte est assurée par de drôles

00:30:28 de particules appelées les gluons.

00:30:30 Pas d'inquiétude, nous y reviendrons dans la suite de notre Odyssée atomique.

00:30:34 Quant aux forces nucléaires faibles, elles agissent entre les leptons et les quarks.

00:30:41 Pour faire simple, les leptons sont simplement des particules subatomiques élémentaires,

00:30:47 comme les électrons, et les quarks sont les éléments qui composent les protons et les

00:30:52 neutrons.

00:30:53 Les forces nucléaires faibles sont responsables de certains types de désintégrations radioactives,

00:30:59 dans lesquelles une particule se transforme en une autre.

00:31:02 Celles-ci sont médiées par d'autres éléments subatomiques appelés bosons.

00:31:06 Une fois encore, nous expliquerons tout cela plus en détail.

00:31:10 En nous intéressant aux forces qui maintiennent l'organisation interne des atomes, nous

00:31:16 commençons doucement à gratter leur surface.

00:31:19 Cette fouille microscopique nous permet de découvrir bien d'autres particules étranges

00:31:25 précédemment citées.

00:31:26 Ainsi, il est temps pour nous de poursuivre notre exploration et d'aller à la rencontre

00:31:33 des particules subatomiques, un formidable bestiaire de petits éléments mystérieux

00:31:38 qui sont pourtant à l'origine de la réalité dans laquelle nous évoluons.

00:31:42 Faisons une rétrospective de notre voyage jusqu'à présent.

00:31:50 Notre univers observable possède une taille d'environ 93 milliards d'années-lumière.

00:31:56 Au sein de cette immensité cosmique, on retrouve des galaxies qui s'agglomèrent en amas.

00:32:03 Les galaxies, dont le diamètre est généralement d'une centaine de milliers d'années-lumière,

00:32:07 contiennent une quantité incroyable d'étoiles, de gaz stellaires et de poussières.

00:32:12 Ces étoiles et leurs millions de kilomètres de large capturent généralement des planètes

00:32:18 dans leurs orbites.

00:32:19 Et nous savons à coup sûr que l'une d'entre elles contient la vie, notre belle planète

00:32:24 bleue.

00:32:25 Tout ce que nous pouvons voir à l'œil nu, des plus hauts grattes-ciel aux plus petites

00:32:30 puces, est à l'échelle dite macroscopique.

00:32:33 Ensuite, le monde microscopique est ce qui ne peut être vu qu'au travers d'un microscope.

00:32:40 C'est-à-dire ayant des dimensions inférieures à 0,1 millimètre.

00:32:45 Mais en descendant plus bas comme nous l'avons fait, on constate que les êtres vivants sont

00:32:50 constitués de cellules, elles-mêmes constituées d'ADN, lui-même constitué d'éléments

00:32:56 plus petits.

00:32:57 Mais que sont les molécules si ce n'est un assemblage d'atomes ? Et que sont les

00:33:02 atomes si ce n'est une bulle de vide dans laquelle évoluent des électrons, de nature

00:33:07 insaisissable, autour d'un noyau de nucléons ? Le tout régit par des interactions fondamentales,

00:33:14 nucléaires fortes et faibles.

00:33:16 Cette descente vers le monde de l'infiniment minuscule est incroyablement vertigineuse.

00:33:22 Et pourtant, il est possible d'aller encore plus loin.

00:33:26 Oui, plus loin même que si nous nous rendions aux confins de l'univers observable.

00:33:31 A une telle échelle, le voyage paraît infini.

00:33:35 Car au cœur de protons et de neutrons, on retrouve encore des particules élémentaires.

00:33:42 Les fameux quarks.

00:33:44 Alors que les grecs anciens, comme Démocrite ou Épicure, avaient en leur temps théorisé

00:33:53 la notion d'atome sans pouvoir valider cette hypothèse, le mot sera repris bien des années

00:33:59 plus tard, au 18e siècle.

00:34:01 Les progrès de la science avaient permis de prouver l'existence de ces briques élémentaires,

00:34:07 constitutives de la matière.

00:34:09 Le physicien John Dalton fut l'un des premiers à remettre le concept d'atome au goût

00:34:14 du jour, dans les années 1800.

00:34:16 Par la suite, d'autres scientifiques comme J.J.

00:34:20 Thomson, Ernest Rutherford ou encore Albert Einstein, valideront et enrichiront cette

00:34:26 hypothèse.

00:34:27 Il sera démontré que l'atome n'est pas inséquable ou indivisible, comme le pensaient

00:34:32 les grecs, mais qu'il s'agit plutôt d'un corps principalement vide, au sens le plus

00:34:37 strict du terme, composé d'un noyau chargé électriquement autour duquel évoluent les

00:34:42 électrons.

00:34:43 Einstein mettra également en évidence la dualité ondes corpuscules de certaines particules

00:34:49 comme les photons, posant ainsi les bases de la physique quantique.

00:34:53 Et pourtant, ces brillants esprits étaient encore loin de se douter que l'atome n'est

00:34:58 pas la fin, mais bien une nouvelle porte d'entrée vers un monde encore plus complexe.

00:35:03 L'univers dit subatomique.

00:35:06 Et son principal occupant n'est autre que le quark, que nous évoquions précédemment.

00:35:13 Intéressons-nous donc à ce dernier de plus près.

00:35:16 Il sera une excellente introduction en la matière, avant de découvrir plus en détail

00:35:22 quels sont ses congénères.

00:35:23 Tout d'abord, il faut savoir que le quark n'est pas une seule et unique entité.

00:35:32 Ce terme regroupe un ensemble de particules fondamentales.

00:35:36 On parle de particules fondamentales lorsque ces dernières ne peuvent pas être divisées

00:35:43 en parties plus petites.

00:35:44 Du moins, pas d'après nos connaissances actuelles.

00:35:47 Les quarks sont donc considérés comme des briques élémentaires de la matière.

00:35:53 Ils sont responsables de la formation des protons, des neutrons et d'autres particules

00:36:00 subatomiques.

00:36:01 La découverte des quarks remonte aux années 1960, lorsque les physiciens Murray Gell-Mann

00:36:09 et George Zweig ont proposé indépendamment une théorie sobrement intitulée "théorie

00:36:15 des quarks".

00:36:16 Ces derniers ont avancé l'hypothèse que les protons, les neutrons et d'autres particules

00:36:22 similaires étaient composées de particules plus petites et indivisibles.

00:36:27 Il faudra attendre 1975 avant que le premier quark ne soit observé expérimentalement

00:36:34 grâce à l'accélérateur de particules du CERN.

00:36:37 Une prouesse technologique située à la frontière franco-suisse, près de Genève, aussi connue

00:36:43 sous le nom du Grand Collisionneur de Hadron ou LHC.

00:36:47 Un tube circulaire de 27 km de long enfoui sous terre et permettant d'accélérer les

00:36:54 particules à des vitesses proches de celles de la lumière jusqu'à leur collision.

00:36:58 Il en résulte alors un choc microscopique mais d'une violence inouïe, permettant de

00:37:04 fragmenter la matière pour en découvrir ses constituants.

00:37:07 Mais revenons-en à nos petits quarks.

00:37:11 On en connaît actuellement 6 types, dont le dernier fut découvert en 1997.

00:37:18 En voici la liste.

00:37:24 Les quarks up, les quarks down, les quarks étranges, les quarks charm, les quarks top

00:37:28 et les quarks bottom.

00:37:29 Chacun de ces quarks possède des propriétés uniques, notamment une masse, une charge

00:37:37 électrique et un spin.

00:37:38 Leur charge est dite fractionnaire car elle correspond soit à 2/3 soit à 1/3 de la charge

00:37:45 d'un électron.

00:37:46 Quant au spin, il est important de définir cette notion car elle est omniprésente en

00:37:52 physique des particules.

00:37:53 Il s'agit d'une propriété quantique qui indique comment une particule interagit avec

00:37:59 ses pairs et avec des champs magnétiques.

00:38:01 On peut le voir comme une sorte de rotation interne des particules.

00:38:06 Pour donner un exemple concret, prenons le mouvement de la Terre autour du Soleil.

00:38:13 Notre planète tourne autour de lui, elle se déplace sur un orbite avec une certaine

00:38:18 vitesse.

00:38:19 Cela correspond à sa quantité de mouvement.

00:38:22 Mais la Terre tourne aussi sur elle-même.

00:38:25 La grandeur associée à sa rotation est appelée moment cinétique.

00:38:30 En physique quantique, les notions de vitesse et de position n'ont plus de sens.

00:38:35 C'est le principe d'incertitude, mais nous serons amenés à en reparler.

00:38:40 Toutefois, le moment cinétique conserve une certaine pertinence, bien que cette notion

00:38:46 devienne plus abstraite.

00:38:48 Ainsi, le spin est donc l'équivalent du moment cinétique, mais à l'échelle quantique.

00:38:53 Par exemple, l'électron a un spin de 1/2.

00:38:59 Cela signifie qu'il peut exister en deux états différents, spin vers le haut et spin

00:39:05 vers le bas.

00:39:07 C'est un peu comme s'il avait deux types de rotation interne possibles et seulement

00:39:11 deux.

00:39:12 On peut imaginer ces deux états comme des flèches pointant dans des directions opposées.

00:39:16 L'importance du spin réside dans le fait qu'il détermine comment les électrons

00:39:22 interagissent entre eux et avec d'autres particules.

00:39:25 Par exemple, dans l'aimantation d'un matériau, les électrons avec des spins alignés dans

00:39:31 la même direction contribuent à créer un champ magnétique global.

00:39:35 Le spin est une notion complexe, mais retenons simplement qu'il décrit une propriété

00:39:41 fondamentale des particules.

00:39:43 Il joue un rôle crucial dans divers phénomènes quantiques qui se traduisent à l'échelle

00:39:49 macroscopique.

00:39:50 Voilà pour les propriétés physiques.

00:39:52 A présent, soyez bien attentifs, car les choses se compliquent.

00:40:01 Ensemble, les six types de quarks forment une grande famille de particules élémentaires,

00:40:08 les hadrons.

00:40:09 Or, au sein même de cette famille, on retrouve deux classes de particules.

00:40:14 D'abord, il y a les baryons, formés d'un système indissociable de trois quarks, comme

00:40:20 les protons ou les neutrons.

00:40:22 C'est d'ailleurs pour cela que la matière classique qui nous entoure est qualifiée

00:40:27 de matière baryonique.

00:40:28 Ensuite, il y a les maisons.

00:40:32 Ces derniers sont formés par un système saugrenu comprenant un nombre pair de quarks

00:40:37 et d'anticwarks.

00:40:38 Tous les quarks connus appartiennent à l'une de ces deux classes.

00:40:43 Il est impossible de trouver un quark isolé à l'état naturel, comme ce serait le

00:40:48 cas pour un électron par exemple.

00:40:49 Les quarks forment donc toujours des combinaisons appelées hadrons.

00:40:54 Cette propriété très particulière est appelée « confinement des quarks dans les

00:41:01 hadrons », une appellation qui a le mérite d'être claire.

00:41:04 Nous parlions un petit peu plus tôt de l'interaction forte qui maintient les protons soudés dans

00:41:09 le noyau des atomes.

00:41:10 Mais en réalité, cette interaction touche plutôt les quarks eux-mêmes.

00:41:15 En effet, les quarks d'un même proton ou d'un même neutron restent soudés en hadrons,

00:41:22 car ils échangent en permanence des bosons.

00:41:25 Un petit conseil, prenez des notes si vous ne voulez pas perdre le fil de l'histoire.

00:41:29 Le terme boson regroupe lui aussi un ensemble de particules.

00:41:33 Ces dernières agissent comme vecteurs pour assurer la transmission des quatre grandes

00:41:39 forces universelles.

00:41:40 La gravitation, l'électromagnétisme, l'interaction nucléaire forte et l'interaction nucléaire

00:41:47 faible.

00:41:48 Ainsi, les bosons responsables de l'interaction forte sont appelés gluons.

00:41:53 Ce terme leur va assez bien, puisque comme la glu, ils vont permettre aux briques élémentaires

00:41:59 de la matière de rester soudées.

00:42:01 Pas d'inquiétude, nous reviendrons très bientôt sur les bosons à l'origine des

00:42:07 trois autres interactions.

00:42:08 A chaque instant qui passe, les bosons au cœur de la matière s'échangent donc des

00:42:14 gluons.

00:42:15 Cet échange se produit au sein même des nucléons pour assurer la cohésion des hadrons,

00:42:20 mais également entre les nucléons d'un même noyau atomique pour qu'ils restent

00:42:25 soudés les uns aux autres.

00:42:27 A très courte distance, comme c'est le cas au niveau subatomique, l'interaction

00:42:32 forte est plus intense que l'électromagnétisme.

00:42:34 Si bien que les protons, malgré leur charge électrique qui se repousse, restent groupés

00:42:41 entre eux.

00:42:42 Cette interaction est si puissante qu'en théorie, il faudrait une force infinie pour

00:42:47 briser un triptyque de quarks, comme ceux au cœur des nucléons.

00:42:51 Cela explique pourquoi on ne retrouve aucun quark seul.

00:42:55 A l'heure actuelle, on considère les quarks comme la subdivision ultime de la matière.

00:43:00 Toutefois, cette affirmation pose problème, car elle limite de nombreuses théories qui

00:43:07 tentent de résoudre les mystères de la physique quantique.

00:43:10 La plus populaire étant la théorie des cordes.

00:43:13 Mais encore une fois, nous aurons le temps d'y revenir plus en détail dans quelques

00:43:19 instants.

00:43:20 Après les quarks, et plus généralement les hadrons, l'autre grande famille de particules

00:43:30 subatomiques est celle des leptons.

00:43:32 C'est dans ce groupe que se trouvent nos fameux électrons.

00:43:36 Mais comme vous vous en doutez, on retrouve aussi différentes classes chez les leptons.

00:43:42 D'abord, il y a les leptons électriques, c'est-à-dire les électrons.

00:43:48 Ensuite, il y a les leptons muoniques, les muons.

00:43:52 Et enfin, il y a le lepton taux.

00:43:54 A chacun de ces trois leptons est associé un neutrino, autre particule élémentaire

00:44:01 de masse quasi nulle et de charge électrique neutre.

00:44:04 Chez les leptons, nous avons donc six particules au total.

00:44:09 L'électron, le muon, la particule taux, aussi appelée taux, et les trois neutrinos

00:44:18 propres à chacune de ces entités.

00:44:19 Il faut également savoir que les leptons sont des particules stables.

00:44:24 Elles interagissent principalement par l'intermédiaire des forces électromagnétiques et faibles.

00:44:31 Elles ne sont pas soumises à la force nucléaire forte, qui est responsable de la cohésion

00:44:37 des noyaux atomiques.

00:44:38 Notons aussi que les leptons, tout comme les quarks, ne possèdent que deux types de charges,

00:44:45 zéro ou moins un.

00:44:46 En raison de leur propriété de charge et de masse, les leptons jouent un rôle crucial

00:44:52 dans les réactions nucléaires et les désintégrations radioactives.

00:44:55 Ils sont à la base des processus de création et d'annulation de particules.

00:45:01 De plus, ils ont une grande importance pour comprendre les interactions fondamentales

00:45:06 dans l'univers.

00:45:07 Par exemple, les neutrinos ont récemment été reconnus pour leur rôle dans les phénomènes

00:45:13 astrophysiques tels que les supernovas, les étoiles à neutrons et les trous noirs.

00:45:18 Ils sont également à l'étude pour comprendre le phénomène d'expansion de l'univers.

00:45:24 Nous avons parlé des leptons ainsi que des hadrons, mais nous avons aussi commencé à

00:45:34 évoquer un autre type de particules subatomiques, les bosons.

00:45:38 On pourrait qualifier ces derniers de vecteurs chargés de transmettre les quatre grandes

00:45:43 forces universelles aux autres particules.

00:45:46 Pour illustrer cela par une image, nous pourrions dire que les leptons et les hadrons sont des

00:45:52 briques tandis que les bosons sont un ciment.

00:45:55 Ensemble, ils permettent de constituer toute la matière qui nous entoure et donnent à

00:46:00 notre univers les lois strictes que nous lui connaissons.

00:46:03 Comme nous l'avons vu, les gluons sont les bosons qui assurent l'interaction forte

00:46:09 et la cohésion du cœur des atomes.

00:46:11 Ils donnent vie aux neutrons, aux protons ainsi qu'aux mesons.

00:46:15 Les gluons sont dépourvus de masse et il en existerait huit au total.

00:46:20 Vient ensuite l'interaction électromagnétique.

00:46:24 Si vous avez quelques connaissances en physique, vous savez déjà que le vecteur de cette

00:46:30 interaction n'est autre que le photon.

00:46:33 Souvent désigné comme des grains de lumière, il serait plus juste de parler de porteurs

00:46:38 d'énergie.

00:46:39 Ils sont produits par rayonnement ou par dispersion lorsqu'un atome reçoit de l'énergie.

00:46:44 Pour revenir à un état plus stable, l'atome émet à son tour des photons qui vont véhiculer

00:46:50 l'énergie et donc la lumière.

00:46:53 Car oui, selon l'énergie des photons émis, les atomes rayonneront avec des couleurs différentes.

00:46:58 Des couleurs visibles allant du violet jusqu'au rouge en passant par le bleu, le vert et le

00:47:04 jaune.

00:47:05 Mais aussi des couleurs invisibles.

00:47:07 Des ondes électromagnétiques appartenant au domaine de l'infrarouge ou de l'ultraviolet.

00:47:12 Les photons participent aussi à structurer les atomes.

00:47:16 En effet, ces derniers vont lier les électrons au noyau atomique.

00:47:21 Enfin, il faut savoir que leur masse est nulle.

00:47:26 Ils ne peuvent pas se désintégrer en particules plus légères et sont donc complètement

00:47:31 stables.

00:47:32 Après les photons et les gluons, viennent les bosons W+, W- et Z0.

00:47:39 Ces derniers permettent l'expression de l'interaction faible.

00:47:43 Ils ont une masse très élevée pour des particules subatomiques et leur portée est donc assez

00:47:49 restreinte.

00:47:50 Notez bien que cette interaction touche toutes les particules de matière.

00:47:56 Aussi bien les leptons que les hadrons.

00:47:58 Enfin, la gravitation est un cas à part.

00:48:01 Des quatre grandes forces, c'est bien la plus faible, mais c'est aussi la seule

00:48:07 dont la portée est infinie.

00:48:08 Quant aux bosons porteurs de la gravité, il devrait s'agir du graviton.

00:48:13 Hélas, ce dernier n'a encore jamais été observé à ce jour.

00:48:17 En revanche, on sait aujourd'hui que les ondes gravitationnelles existent bel et bien.

00:48:22 Elles furent détectées pour la première fois en 2015 par les collaborations LIGO et

00:48:29 VIRGO, à la suite de la collision lointaine de deux trous noirs massifs, soit exactement

00:48:35 100 ans après qu'elles furent prédites par le brillant Albert Einstein et sa théorie

00:48:40 de la relativité générale.

00:48:41 Toutefois, la question du graviton reste toujours ouverte.

00:48:45 Pour résumer clairement les choses, les particules élémentaires de matière se transfèrent

00:48:52 des quantités discrètes d'énergie en s'échangeant des bosons.

00:48:56 Et chaque force fondamentale a son boson correspondant.

00:48:59 Enfin, si l'on accepte l'existence du mystérieux graviton.

00:49:03 Toute cette classification de particules de matière, de forces et de particules porteuses

00:49:11 est organisée sous un modèle dont le nom vous est peut-être familier.

00:49:14 Il s'agit du modèle standard de la physique des particules.

00:49:19 Afin d'organiser leur découverte et de classifier les différents éléments subatomiques,

00:49:30 les physiciens des particules ont mis au point une théorie permettant de tout regrouper.

00:49:34 On la connaît sous le nom de modèle standard de la physique des particules, ou plus simplement

00:49:40 modèle standard.

00:49:41 Cette théorie fondamentale décrit les particules élémentaires ainsi que les forces qui les

00:49:47 régissent.

00:49:48 Elle fut développée dans les années 1970 avec pour objectif d'organiser les constituants

00:49:54 fondamentaux de la matière et les interactions entre eux.

00:49:58 Ce modèle est basé sur le principe de symétrie et s'appuie sur les travaux antérieurs

00:50:04 de nombreux scientifiques tels que James Clerk Maxwell, Albert Einstein, Niels Bohr et bien

00:50:11 d'autres.

00:50:12 Au cours du temps, nombre de découvertes comme celles des différents quarks ou encore

00:50:17 des neutrinos sont venues renforcer la crédibilité de ce modèle.

00:50:22 Le modèle standard comprend l'ensemble des quarks et des leptons, regroupés sous

00:50:27 le terme de fermions, ainsi que les bosons responsables des interactions fondamentales.

00:50:33 Il est donc basé sur le triptyque, particules, forces et médiateurs.

00:50:38 Mais ce modèle utilise lui-même d'autres théories pour décrire les particules ainsi

00:50:44 que leurs interactions.

00:50:45 Notamment le principe de symétrie et la théorie des champs quantiques.

00:50:50 Tout cela est assez complexe pour quiconque ne dispose pas des connaissances prérequises.

00:50:56 Mais pour simplifier vulgairement les choses, nous pouvons dire que la théorie des champs

00:51:01 quantiques est un cadre mathématique utilisé pour décrire les particules élémentaires

00:51:07 et leurs interactions.

00:51:08 Selon cette théorie, l'espace baigne dans un ensemble de champs.

00:51:13 Des entités mathématiques qui se propagent à travers l'espace et interagissent avec

00:51:19 les particules.

00:51:20 Les champs quantiques sont décrits par des équations appelées équations de champs,

00:51:26 qui spécifient comme ces derniers évoluent dans l'espace-temps.

00:51:29 Cette théorie repose sur les principes de la mécanique quantique qui postulent que

00:51:34 les particules peuvent être décrites par des fonctions tondes probabilistes.

00:51:39 Ainsi, l'une de ses caractéristiques essentielles est la notion de quantification.

00:51:45 Selon cette idée, les particules et les champs associés existent dans des états quantifiés

00:51:51 discrets plutôt que dans un continuum infini.

00:51:54 Cela implique que les particules élémentaires peuvent avoir seulement certaines valeurs

00:52:00 discrètes d'énergie, de moment, de charge, etc.

00:52:04 La théorie des champs quantiques est également basée sur le principe de superposition, selon

00:52:11 lequel les états quantiques peuvent être combinés de manière linéaire pour former

00:52:16 de nouveaux états.

00:52:17 Cela permet de décrire des phénomènes tels que la création et l'annihilation de particules,

00:52:24 ainsi que les interactions entre elles.

00:52:26 En somme, le modèle standard est plus une tentative d'unification de différentes théories

00:52:32 plutôt qu'une théorie à part entière.

00:52:33 Et le moins que l'on puisse dire, c'est que cette tentative est très réussie.

00:52:38 Mais malheureusement, quelques zones d'ombre viennent noircir le tableau.

00:52:43 À commencer par la gravité, qui peine à trouver sa place dans ce modèle.

00:52:47 Et oui, le modèle standard englobe les interactions électromagnétiques ainsi que les forces

00:52:54 nucléaires fortes et faibles.

00:52:55 Il explique de manière très satisfaisante comment ces forces agissent sur l'ensemble

00:53:01 des particules de matière.

00:53:02 Il avait aussi prédit l'existence de certaines particules qui furent ensuite découvertes

00:53:08 des années plus tard dans le collisionneur de particules du CERN.

00:53:13 Mais qu'en est-il de la gravité ?

00:53:15 C'est une question cruciale, car aujourd'hui, elle n'est pas comprise dans le modèle

00:53:25 standard et la découverte des fameux gravitons se fait toujours attendre.

00:53:29 En effet, d'une part, nous avons la théorie quantique, utilisée pour décrire le monde

00:53:36 microscopique, et d'autre part, nous avons la théorie de la relativité générale,

00:53:42 employée pour décrire le monde macroscopique.

00:53:45 Le problème étant que personne n'arrive à concilier les deux.

00:53:49 A priori, on pourrait penser que cela n'est pas grave, car il suffit d'employer la physique

00:53:55 quantique pour l'infiniment petit et de basculer sur la relativité générale pour

00:54:00 les phénomènes macroscopiques.

00:54:02 Mais dans ce cas, où est la limite ?

00:54:04 Qu'en faire ce basculement ? Existe-t-il une distance seuil pour laquelle on passe

00:54:10 instantanément de la physique quantique à la relativité ?

00:54:13 Aussi, l'unification de ces deux théories, appelées théories du tout, pourrait bien

00:54:19 résoudre certaines énigmes qui taraudent les scientifiques.

00:54:23 Notamment le phénomène d'expansion de l'univers, la disparition de l'antimatière

00:54:28 après le Big Bang et bien d'autres interrogations.

00:54:31 Et d'autres questions s'ajoutent à la liste.

00:54:35 Comprenez qu'actuellement, la gravité est négligeable au niveau subatomique.

00:54:41 Car l'intensité de cette force dépend de la masse des objets, qui est quasi nulle

00:54:46 dans le monde de l'infiniment petit.

00:54:48 Cela dit, il existe bien des cas particuliers où gravité intense et échelle microscopique

00:54:55 se côtoient.

00:54:56 Seriez-vous deviné lesquels ?

00:54:58 La réponse est au cœur des trous noirs et au premier instant de l'univers.

00:55:03 Là où une quantité phénoménale de matière est contenue dans un point de densité infinie

00:55:09 appelé singularité.

00:55:10 Ainsi, ajouter la gravitation dans le modèle de la physique quantique nous permettrait de

00:55:16 percer les secrets du cœur des trous noirs et de l'origine du Big Bang.

00:55:20 Par ailleurs, on sait qu'il existe trois groupes, ou plutôt trois générations comme

00:55:25 disent les scientifiques, de quarks et de leptons avec des masses totalement différentes.

00:55:30 Mais alors, comment expliquer l'étendue de cette échelle de masse ?

00:55:35 Sans compter que le modèle standard ne décrit pas non plus parfaitement l'oscillation

00:55:40 des neutrinos, ni de leur masse.

00:55:42 Instinctivement, les chercheurs sentent qu'un paramètre leur échappe.

00:55:47 Il y a une donnée manquante, une pièce de puzzle manque à l'appel.

00:55:51 Et il est probable que les limites de la compréhension humaine ne permettent jamais d'aboutir à

00:55:58 la théorie du tout, le fantasme ultime de tout physicien.

00:56:02 Une théorie qui unirait toutes les autres, et qui permettrait de décrire tous les phénomènes

00:56:08 physiques, peu importe l'échelle.

00:56:10 Des concepts intéressants tels que la supersymétrie, la théorie des cordes ou encore la gravité

00:56:18 quantique à boucle tentent d'étendre le modèle standard pour résoudre ces questions.

00:56:22 Mais rien n'y fait.

00:56:24 Nous sommes toujours dans l'attente de ce fameux Eureka, qui nous délivrerait enfin

00:56:29 du poids de ces questions.

00:56:30 Toujours est-il que le modèle standard semble se rapprocher grandement de la réalité.

00:56:36 Si les découvertes des trous noirs et des ondes gravitationnelles furent des arguments

00:56:41 de poids en faveur de la relativité d'Einstein, une autre trouvaille récente est venue jouer

00:56:46 en faveur du modèle standard.

00:56:49 Cette nouvelle inespérée est celle du célèbre boson de Higgs.

00:56:55 En 2012, les chercheurs du CERN ont fait une découverte sensationnelle grâce à leur

00:57:03 accélérateur de particules.

00:57:04 Ces derniers ont utilisé leur machine pour accélérer des protons à des énergies très

00:57:10 élevées, puis les ont fait rentrer en collision.

00:57:13 Ces chocs à haute énergie ont créé des conditions similaires à celles qui existaient

00:57:18 juste avant le Big Bang.

00:57:20 Car la recherche du boson de Higgs impliquait la détection de ces produits de désintégration

00:57:26 dans cet environnement primordial.

00:57:27 Le boson de Higgs lui-même est instable et se désintègre presque instantanément en

00:57:34 d'autres sous-particules.

00:57:36 Voilà pourquoi les scientifiques ont recherché des signatures de ces désintégrations spécifiques

00:57:42 pour identifier le boson caché.

00:57:44 Et c'est alors qu'en juillet 2012, la découverte fut annoncée.

00:57:49 Les données recueillies ont montré des marqueurs significatifs correspondant aux signatures

00:57:55 attendues du boson de Higgs.

00:57:57 Après une analyse approfondie des données, l'existence de la particule de Higgs fut

00:58:03 officiellement confirmée.

00:58:04 Soit environ 50 ans après que le physicien britannique Peter Higgs formulait l'hypothétique

00:58:10 existence d'un objet quantique qui donnerait une masse aux particules.

00:58:15 La théorie de Higgs était la suivante.

00:58:17 D'après lui, les particules élémentaires acquièrent leur masse en interagissant avec

00:58:23 un champ qui remplit tout l'espace.

00:58:25 Plus une particule est sensible à ce champ, plus cette dernière est massive.

00:58:29 Et la manifestation quantique de ce champ ne serait autre qu'un boson, dit boson de

00:58:35 Higgs.

00:58:36 De fait, les particules les plus massives comme les quarks et les électrons interagissent

00:58:41 fortement avec le champ de Higgs, tandis que les particules sans masse comme le photon

00:58:47 n'interagissent pas du tout avec ce champ.

00:58:48 Tout cela paraît plutôt segrenu de prime abord.

00:58:52 Et pourtant, il semble que ce soit la réalité.

00:58:56 La découverte du boson de Higgs marqua un tournant dans la confirmation du modèle

00:59:01 standard.

00:59:02 Elle fut aussi cruciale pour comprendre l'origine de la symétrie électrofaible.

00:59:07 Mais de quoi s'agit-il ? Et bien, lorsque l'univers était très chaud juste après

00:59:13 le Big Bang, la force électromagnétique et la force faible étaient unifiées en une

00:59:19 seule et même force, la force électrofaible.

00:59:22 Les particules n'avaient pas de masse et se déplaçaient à la vitesse de la lumière.

00:59:27 Au fur et à mesure que l'univers se refroidissait, le champ de Higgs s'est déclenché, brisant

00:59:34 cette symétrie et séparant les forces électromagnétiques et faibles.

00:59:38 Ce champ conféra également leur masse aux particules, donnant naissance à l'univers

00:59:43 que nous connaissons aujourd'hui.

00:59:45 Il est fascinant de voir à quel point une entité aussi infime qu'un boson peut expliquer

00:59:50 la formation de notre univers supposément infini.

00:59:53 Jusqu'à présent, notre voyage nous a menés aux confins de la matière.

01:00:00 En partant de notre échelle de grandeur, nous sommes descendus jusqu'à observer

01:00:06 les plus petites particules connues qui composent notre monde et ordonnent les lois physiques

01:00:11 de notre univers.

01:00:12 Nous avons également vu les moyens mis en œuvre par les scientifiques pour percer les

01:00:18 secrets de l'atome, ainsi que les théories leur permettant d'organiser leur découverte.

01:00:24 Cependant, nous n'avons que très peu parlé du comportement des particules subatomiques

01:00:29 dans leur milieu.

01:00:30 Car oui, ces dernières obéissent à des lois qui leur sont propres.

01:00:34 Des codes qui bouleversent nos croyances et testent les limites de notre compréhension.

01:00:41 Il est temps de nous diriger vers la dernière étape de notre odyssée microscopique.

01:00:46 Mais soyez avertis, pour poursuivre l'aventure, vous devrez laisser de côté vos croyances

01:00:53 et vos convictions sur les limites du possible.

01:00:56 Vous devrez être prêts à vous remettre en question et accepter votre incapacité

01:01:02 à saisir la nature profonde de l'infiniment petit.

01:01:05 Vous l'aurez compris, nous allons pénétrer dans une dimension aussi étrange que fascinante

01:01:11 - le monde quantique.

01:01:16 Vous avez forcément déjà entendu parler de physique quantique.

01:01:21 Peut-être même connaissez-vous vaguement certains de ses concepts les plus populaires

01:01:27 comme l'intrication, le principe d'incertitude d'Heisenberg ou bien la décohérence quantique.

01:01:32 Toutefois, il est peu probable que vous saisissiez réellement son fonctionnement.

01:01:37 Et pour cause, même les plus grands scientifiques se questionnent sur cette branche mystérieuse

01:01:43 de la physique des particules.

01:01:44 Rassurez-vous, nous n'allons pas tenter ici d'en décrypter tous ces mystères.

01:01:49 Nous allons plutôt expliquer certains de ses grands principes ainsi que les théories

01:01:54 qu'elle a vues naître dans son sillage.

01:01:56 Mais avant toute chose, commençons par poser les bases.

01:02:00 Définissons ce qu'est concrètement la physique dite quantique.

01:02:05 Pour le dire simplement, il s'agit d'une branche de la physique qui étudie les propriétés

01:02:11 fondamentales de la matière et de l'énergie à l'échelle atomique et subatomique.

01:02:17 Elle permet de comprendre des phénomènes tels que la structure de l'atome, la nature

01:02:23 de la lumière, la superposition, l'intrication quantique ou encore la dualité ondes-particules.

01:02:29 Et oui, dans notre compréhension actuelle de la physique, toute particule est assimilable

01:02:36 à une onde dans un champ.

01:02:38 Par exemple, la lumière est une onde dans un champ électromagnétique, mais aussi

01:02:43 à un flux de particules appelé photon.

01:02:44 Cette double nature des particules subatomiques, notamment les électrons, est appelée dualité

01:02:52 onde-corpuscule.

01:02:53 Celle-ci fut mise en évidence par la célèbre expérience des fentes de Jung.

01:02:59 L'une des plus belles expériences de la physique moderne.

01:03:02 En voici un résumé synthétique.

01:03:04 En 1801, le physicien britannique Thomas Jung fit une expérience pour mettre en évidence

01:03:11 la nature ondulatoire de la lumière.

01:03:14 Jusque-là, la communauté scientifique pensait que la lumière était constituée de particules,

01:03:20 comme le pensait le grand Isaac Newton.

01:03:22 Sauf que l'expérience de Jung prouva le contraire.

01:03:25 En faisant passer un faisceau lumineux à travers deux minuscules fentes très rapprochées

01:03:30 l'une de l'autre, Jung vit se former une figure d'interférence sur l'écran placé

01:03:35 derrière les fentes.

01:03:37 Cette figure étant la caractéristique propre des ondes, le débat fut tranché.

01:03:42 Or, un siècle plus tard, Albert Einstein, qu'on ne présente plus, arriva sur le devant

01:03:48 de la scène avec une idée absurde à première vue.

01:03:51 La lumière n'est pas une onde, mais bien un flux de corpuscules qu'il baptisa "quantum"

01:03:57 et qui seront ensuite renommés "photons".

01:04:00 Il proposa une expérience pour prouver son affirmation.

01:04:03 Et le plus surprenant, c'est que ses résultats expérimentaux étaient bien valides.

01:04:08 D'un côté, Jung avait réussi à prouver que la lumière était une onde.

01:04:13 Et de l'autre, Einstein prouva qu'elle était constituée de photons.

01:04:17 Cette découverte mettra d'ailleurs en évidence l'effet photoélectrique, utilisé pour la

01:04:23 production d'électricité via les panneaux solaires.

01:04:26 Elle lui vaudra même un prix Nobel en 1921.

01:04:30 A ce stade, le débat sur la nature de la lumière fut relancé et la question semblait

01:04:36 insoluble.

01:04:37 Plus tard, l'expérience des fentes de Jung sera répétée, non pas avec un faisceau

01:04:42 de lumière, mais avec un flux continu d'électrons.

01:04:46 Les électrons étant des particules, ils auraient dû former deux tâches bien distinctes

01:04:51 en passant à travers les deux fentes.

01:04:53 Or, le résultat de l'expérience laissa tout le monde bouche bée.

01:04:57 Les photons marquaient bien des tâches ponctuelles sur l'écran, comme le feraient des particules,

01:05:03 mais l'ensemble de ces tâches formait le dessin propre aux ondes, une figure d'interférence.

01:05:08 Oui, au lieu de former seulement deux faisceaux distincts, on observa une série d'interférences

01:05:14 lumineuses sur l'écran, semblables à des bandes alternant des zones claires et sombres.

01:05:19 La conclusion fut sans appel.

01:05:21 Pour former ce motif, chaque électron doit obligatoirement passer par les deux fentes

01:05:27 en même temps.

01:05:28 Autrement, l'interférence est impossible.

01:05:30 Pourtant, lorsqu'ils sont interceptés sur l'écran, les électrons forment un point

01:05:35 caractéristique d'une particule.

01:05:37 Les scientifiques ont alors fait une mesure des électrons lors de leur passage entre

01:05:42 les fentes.

01:05:43 Et là, nouvelle surprise.

01:05:45 Si on tente d'observer les électrons à cet endroit précis, les figures d'interférences

01:05:51 disparaissent, et les électrons se comportent comme de simples particules passant par l'une

01:05:56 ou l'autre des deux fentes.

01:05:58 Ce phénomène complètement hallucinant fut l'une des pierres angulaires du développement

01:06:03 de la physique quantique.

01:06:04 On sait depuis que certaines particules, comme les photons ou les électrons, sont à la

01:06:09 fois des ondes et des particules.

01:06:11 Mais on sait également que les mesures expérimentales « forcent » les objets quantiques à adopter

01:06:19 l'un de ces deux états.

01:06:20 Et ce n'est qu'une des propriétés folles des particules quantiques.

01:06:25 Vous souhaitez en connaître d'autres ? Très bien.

01:06:28 Mais accrochez-vous, car vous pourriez perdre pied face à la complexité de ces notions.

01:06:33 Citons par exemple le principe d'incertitude d'Eisenberg.

01:06:41 Ce dernier fut formulé par le physicien du même nom en 1927.

01:06:46 C'est d'ailleurs l'une des notions fondatrices de la physique quantique.

01:06:51 Elle nous dit qu'il existe une limite fondamentale à la précision avec laquelle on peut mesurer

01:06:58 simultanément certaines paires de grandeurs physiques complémentaires telles que la position

01:07:03 et la quantité de mouvement d'une particule par exemple.

01:07:06 En d'autres termes, plus on essaie d'être précis dans la mesure de la position d'une

01:07:12 particule quantique, comme un électron, plus on perd en précision dans la mesure de sa

01:07:17 quantité en mouvement.

01:07:18 A l'échelle macroscopique, cette question ne se pose pas.

01:07:21 Nous sommes tout à fait capables de connaître la position, la quantité de mouvement et

01:07:27 la vitesse d'un astre à un instant T.

01:07:30 Il faut bien comprendre que cette incertitude ne découle en rien de la précision de nos

01:07:35 instruments de mesure.

01:07:36 C'est plutôt comme si la nature elle-même posait des barrières afin que l'on ne puisse

01:07:42 en percer ses mystères.

01:07:43 On dirait presque que les lois de la physique sont faites pour que l'homme ne puisse pas

01:07:49 en saisir toute la complexité.

01:07:51 Se pose alors une multitude de questions.

01:07:55 Cette limitation est-elle volontaire ? Existe-t-il une entité supérieure qui nous entrave et

01:08:02 nous limite sciemment dans la compréhension du monde ?

01:08:04 Sommes-nous forcés d'évoluer pour mettre à nu les secrets de la matière ? Est-ce

01:08:09 un moyen pour un observateur omnipotent et omniscient de tester nos limites ?

01:08:14 A vrai dire, cela importe peu.

01:08:17 Il n'est pas dans la nature de l'homme de se décourager face aux grandes questions

01:08:21 existentielles.

01:08:22 Et tant qu'un cerveau curieux vivra, les réponses continueront d'être traquées

01:08:27 sans relâche.

01:08:28 Après tout, des choses qui paraissaient inimaginables il y a quelques siècles sont aujourd'hui

01:08:34 au cœur de nos sociétés.

01:08:35 Et qui sait quelles découvertes nous attendent dans les décennies à venir ?

01:08:40 Toujours est-il que le monde quantique nous résiste, pour le meilleur et pour le pire.

01:08:46 Malgré tout, nous commençons à cerner ces différentes nuances.

01:08:51 Dualité onde corpuscule, principe d'incertitude, superposition, intrication quantique.

01:08:58 Le voile d'incompréhension reste épais, mais il se dissipe peu à peu.

01:09:02 Et les découvertes ont aussi mené à leur lot de théories.

01:09:06 Des théories qui visent à unifier les lois du monde quantique avec celles du monde macroscopique.

01:09:13 Rappelez-vous, le modèle standard, bien qu'assez prometteur, présente tout de même quelques

01:09:18 limites.

01:09:19 Et pour pallier ce vide, certains théoriciens se sont creusés les méninges afin de proposer

01:09:25 des explications alternatives plus satisfaisantes.

01:09:28 La plus célèbre de toutes étant évidemment la théorie des cordes.

01:09:33 Bien qu'aucune expérience n'a pu valider cette théorie, nous allons tout de même

01:09:37 y jeter un coup d'œil.

01:09:38 La théorie des cordes est un incontournable pour quiconque tente d'explorer les fondements

01:09:48 de la matière.

01:09:49 Mais malgré sa célébrité, peu de gens savent réellement quelles sont les idées

01:09:54 qui l'accompagnent.

01:09:55 Voyons donc plus en détail de quoi il s'agit.

01:09:59 En fait, la théorie des cordes tente de développer une description unifiée de l'univers

01:10:06 en combinant la gravité quantique et les autres interactions fondamentales de la physique.

01:10:11 Elle propose que les particules élémentaires ne soient pas des points sans structure, mais

01:10:16 plutôt des entités unidimensionnelles appelées cordes.

01:10:19 Oui, des cordelettes minuscules plongées au plus profond de la matière, à la limite

01:10:26 théorique du possible.

01:10:27 Tout comme le zéro absolu est la température la plus basse qui puisse être, il existerait

01:10:33 également une limite au-delà de laquelle il serait impossible d'aller plus bas, la

01:10:38 longueur de Planck.

01:10:39 Une distance environ un milliard de milliards de fois plus petite que le rayon des protons,

01:10:45 soit environ 10 puissance -35 mètres.

01:10:48 Et c'est à cette distance, dans ces tréfonds de l'infiniment petit, que se trouveraient

01:10:54 les fameuses cordes au cœur de cette théorie.

01:10:56 Toujours selon cette hypothèse, les cordes sont des objets fondamentaux qui vibrent à

01:11:02 différentes fréquences et modes de vibration.

01:11:04 Ces modes de vibration déterminent les propriétés des particules que nous observons, telles

01:11:10 que leur masse, leur charge et leur spin.

01:11:13 Ainsi, au lieu d'avoir un ensemble limité de particules élémentaires, comme des neutrinos,

01:11:20 des électrons ou des quarks, la théorie des cordes suggère qu'il existe un seul

01:11:25 type de particules, les cordes.

01:11:28 Des filaments vibrants sur eux-mêmes et entraînant par leurs différents modes de vibration,

01:11:34 la diversité des particules élémentaires que nous connaissons.

01:11:37 Et même celles que nous ne connaissons pas, mais dont nous supposons l'existence, comme

01:11:42 les gravitons.

01:11:43 Est-ce que vous suivez toujours ? Bien.

01:11:46 La théorie des cordes propose également que la gravité soit une conséquence naturelle

01:11:51 des interactions des cordes.

01:11:53 Pour résumer les choses très simplement, considérer les particules élémentaires

01:11:57 comme des objets à une dimension, et non pas comme des points sans dimension, permet

01:12:03 d'arriver à une quantification valide de la théorie de la relativité.

01:12:07 La théorie des cordes résout donc le problème de l'incompatibilité entre la mécanique

01:12:13 quantique et la relativité générale.

01:12:15 Les deux piliers de la physique moderne.

01:12:18 C'est d'ailleurs le point central des théories palliatives au modèle standard.

01:12:22 Toutes tentent de quantifier, c'est-à-dire de proposer une alternative exploitable de

01:12:29 la théorie de la relativité, mais à l'échelle quantique.

01:12:32 C'est ce que l'on appelle plus communément le problème de la gravité quantique.

01:12:37 Or, la tâche est très ardue, car les forces de gravité à l'échelle subatomique sont

01:12:43 si faibles qu'elles en deviennent presque inexistantes.

01:12:46 En cela, la théorie des cordes nous fait une proposition alléchante qui offre une

01:12:51 perspective prometteuse pour une théorie du tout, le fameux Eldorado de la physique,

01:12:57 capable de décrire l'ensemble de l'univers des particules subatomiques aux structures

01:13:02 cosmiques.

01:13:03 Elle propose même l'existence d'une particule supplémentaire, l'action, qui serait un

01:13:09 candidat idéal pour expliquer l'origine de la matière noire.

01:13:12 Seulement, en tentant de résoudre des problèmes, cette théorie en soulève d'autres.

01:13:18 Et oui, une caractéristique essentielle de cette grande idée, c'est la nécessité

01:13:23 d'ajouter des dimensions supplémentaires aux quatre dimensions de l'espace-temps

01:13:27 que nous connaissons.

01:13:28 Car il existerait en réalité plusieurs dimensions inconnues qui sont enroulées ou compactifiées

01:13:35 à une échelle au-delà du microscopique.

01:13:37 Et le consensus veut qu'il faille utiliser dix dimensions pour que la théorie des cordes

01:13:43 puisse fonctionner, soit une dimension de temps et neuf dimensions d'espace.

01:13:49 Cette hypothèse, un peu farfelue pour les non-initiés, permettrait d'expliquer pourquoi

01:13:54 nous ne percevons pas ces dimensions supplémentaires malgré le perfectionnement de nos appareils

01:13:59 de détection.

01:14:00 Pour lever ces différentes incohérences, la théorie des cordes a été étoffée de

01:14:05 plusieurs manières, en donnant un spin aux cordes ou encore en stipulant l'existence

01:14:11 du multivers.

01:14:12 Comprenez donc qu'elle reste une piste en développement.

01:14:15 Ses partisans sont encore loin de détenir sa formule complète.

01:14:20 D'ailleurs, elle laisse beaucoup de chercheurs perplexes, notamment en raison des nombreux

01:14:26 défis mathématiques et conceptuels qu'elle soulève.

01:14:28 A l'heure actuelle, aucune expérience directe n'a permis de la confirmer.

01:14:33 Et pour cause, en raison des six dimensions inconnues et cachées que postule cette théorie,

01:14:39 les prédictions expérimentales sont si nombreuses qu'elles ne peuvent être confirmées.

01:14:43 Mais tout espoir n'est pas perdu, car il existe une composante de la théorie des

01:14:49 cordes qui pourrait bien être vérifiée en pratique.

01:14:52 Cette composante prometteuse porte le nom de supersymétrie, une extension théorique

01:15:03 de la physique des particules qui propose une symétrie entre les composants de la matière

01:15:09 les forces universelles et les médiateurs qui les lie.

01:15:12 Elle vise à résoudre certaines limitations et questions non résolues de la physique

01:15:17 des particules telles que la nature de la matière noire.

01:15:20 La supersymétrie postule l'existence de partenaires pour chaque particule connue du

01:15:28 modèle standard.

01:15:29 A l'heure actuelle, ce dernier compte 12 particules élémentaires.

01:15:33 Mais si l'on compte leurs différentes versions, ainsi que les antiparticules, on

01:15:39 arrive au nombre de 61.

01:15:40 Or, la supersymétrie nous dit qu'il existerait deux fois plus de particules, soit 122 au

01:15:47 total.

01:15:48 Ces partenaires supersymétriques sont appelés superpartenaires.

01:15:52 Pour chaque particule de matière, pour chaque fermion donc, il existerait un superpartenaire.

01:15:59 Par exemple, le double de l'électron est nommé s'électron.

01:16:04 Et pour chaque particule de force, les bosons, il existerait aussi un superpartenaire.

01:16:10 Dans le cas du photon, ça serait le photino.

01:16:13 Et chaque particule supersymétrique appartiendrait à la catégorie opposée à celle de son

01:16:19 double.

01:16:20 Ainsi, le s'électron serait un boson et le photino serait un fermion.

01:16:25 Il y aurait donc autant de bosons que de fermions et le modèle standard serait incomplet.

01:16:32 Toutefois, aucun de ces hypothétiques jumeaux n'a jamais été observé.

01:16:36 Mais là où l'idée semble prometteuse, c'est que grâce au progrès technologique,

01:16:42 nous devrions bientôt être fixés sur la question.

01:16:45 En effet, la création de particules supersymétriques requiert une énergie théorique phénoménale.

01:16:52 L'accélérateur de particules du CERN devrait bientôt être capable de produire l'énergie

01:16:59 suffisante à l'observation de ses potentiels doublons.

01:17:02 Si malgré les progrès du CERN, aucune particule supersymétrique n'est détectée dans les

01:17:08 prochaines années, cela remettra fortement en cause cette théorie.

01:17:12 Et par suite logique, la théorie décorde elle-même.

01:17:16 A présent, il est temps de conclure notre voyage.

01:17:20 Et pour cela, quoi de mieux que de vous présenter une autre théorie.

01:17:24 Là encore, celle-ci vise à combler les lacunes du modèle standard en proposant une approche

01:17:30 différente de la théorie décorde.

01:17:33 Son nom ? La gravité quantique à boucle.

01:17:36 Contrairement à la théorie décorde, qui inclut l'existence d'objets fondamentaux,

01:17:45 la gravité quantique à boucle se concentre sur la géométrie de l'espace-temps elle-même.

01:17:51 Dans cette théorie, l'espace-temps n'est pas considéré comme un continuum lisse, mais

01:17:56 plutôt comme un réseau discret constitué de boucles ou de liens qui relient ces différents

01:18:01 points.

01:18:02 Ces boucles représentent les interactions quantiques fondamentales entre les régions

01:18:06 de l'espace-temps et forment une structure discrète.

01:18:09 Ou une structure discontinue, si vous préférez.

01:18:13 Pour faire valoir cette idée, elle utilise des concepts de la théorie des graphes et

01:18:19 des mathématiques quantiques permettant de décrire ces boucles et leur évolution dans

01:18:23 le temps.

01:18:24 Elle repose aussi sur une quantification de l'air et du volume des régions de l'espace-temps.

01:18:31 Un peu comme s'il était lui aussi constitué de briques élémentaires.

01:18:35 Des atomes d'espace-temps, pour vulgariser les choses.

01:18:38 L'un des aspects importants de la gravité quantique à boucle est la notion de spin

01:18:43 du réseau.

01:18:44 Mais qu'est-ce que cela signifie au juste ?

01:18:45 Eh bien, il faut comprendre que chaque boucle du réseau porte une quantité quantifiée

01:18:51 du moment cinétique ou de spin.

01:18:54 Et cette quantité représente les propriétés quantiques associées à la géométrie de

01:18:59 l'espace-temps.

01:19:00 Cette vision du spin permet de décrire les propriétés gravitationnelles de l'espace-temps

01:19:06 à une échelle microscopique.

01:19:07 En effet, la gravité quantique à boucle propose que les interactions gravitationnelles

01:19:13 entre les particules soient dues à l'échange de quantités discrètes de moments cinétiques

01:19:18 entre chaque boucle.

01:19:19 En somme, cette hypothèse résout le problème de la gravité quantique.

01:19:24 Cependant, tout comme la précédente théorie, la gravité quantique à boucle est encore

01:19:29 à l'étude.

01:19:30 Le problème reste le même.

01:19:32 Elle est très difficile à tester expérimentalement car elle prédit des effets significatifs

01:19:38 mais à des échelles extrêmement réduites, qui ne sont pas directement accessibles par

01:19:42 nos appareils de mesure.

01:19:43 A nouveau, tout cela se passe à la longueur de Planck, qui est à 10 puissance -35 mètres.

01:19:51 Rappelons-le.

01:19:52 Il existe de nombreuses autres théories ayant pour objectif de relever le plus gros challenge

01:19:57 de la physique moderne.

01:19:58 L'unification des quatre grandes forces universelles, et ce, à toutes les échelles

01:20:04 de taille.

01:20:05 La théorie du tout.

01:20:06 Mais arrivera-t-on un jour à unifier l'infiniment grand et l'infiniment petit ? L'homme

01:20:11 n'est-il pas condamné, par sa condition, à demeurer ignorant de la nature profonde

01:20:16 de la matière qui le compose et de l'univers qui l'habite ? Peut-être bien.

01:20:21 Pour autant, devons-nous baisser les bras devant l'ampleur de la tâche ? Certainement

01:20:26 pas.

01:20:27 Aujourd'hui, des milliers de chercheurs, de physiciens et de scientifiques travaillent

01:20:31 d'arrache-pied pour trouver des réponses aux questions qui les tourmentent.

01:20:35 Confortés par les découvertes qui se multiplient au fil du temps, nous sentons au plus profond

01:20:41 de nous que les réponses sont proches.

01:20:43 Mais chaque découverte entraîne aussi son lot de questions.

01:20:46 Et finalement, n'est-ce pas là le plus grand secret de l'univers ? N'est-ce pas sa capacité

01:20:52 à nous proposer toujours plus d'énigmes ardues à résoudre, à ne jamais livrer toutes

01:20:57 les clés qui permettent sa compréhension, une source qui cultivera notre émerveillement

01:21:02 et notre curiosité aussi longtemps que nous vivrons ?

01:21:05 [Musique]

Audelà de lAtome INCROYABLE Plongée au Cœur de la Matière vers lInfiniment Petit Documentaire

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