Bonjour à tous, aujourd'hui nous avons remis un livre de
Frank Wilcek à l'imprimerie, qui étudie le fond des dernières idées physiques sur la masse, l'énergie et la nature du vide. L'auteur, lauréat du prix Nobel de physique, expose des vues modernes sur notre incroyable univers et prédit un nouvel âge d'or des sciences physiques fondamentales. Une magnifique histoire sur l'unité de la matière et de l'énergie, sur les particules élémentaires et leurs interactions - c'est un chef-d'œuvre de la littérature scientifique populaire sérieuse.
Ici, nous publions un extrait du livre "Fermi Dragons"
Dès le début, il était clair que d'autres forces nouvelles dirigeaient le monde nucléaire. Les forces classiques de la physique nucléaire sont la gravité et l'électromagnétisme. Cependant, des forces répulsives agissent dans les noyaux: le noyau a une charge positive commune et les mêmes charges se repoussent. Les forces gravitationnelles agissant sur une petite quantité de masse dans un seul noyau sont trop faibles pour surmonter la répulsion électrique. (Nous parlerons beaucoup plus de la faiblesse de la gravité dans la deuxième partie de ce livre.) Une nouvelle force était nécessaire. Elle a reçu le nom de forte interaction. Pour que les noyaux restent étroitement connectés les uns aux autres, l'interaction forte doit être plus puissante que n'importe lequel des précédents.
Il a fallu des dizaines d'années d'efforts aux expérimentateurs et à la sophistication des théoriciens pour découvrir les équations fondamentales qui décrivent ce qui se passe dans les noyaux atomiques. Étonnamment, les gens ont généralement réussi à les trouver.
La difficulté évidente est que la petite taille du noyau atomique interfère avec l'observation de ces équations en action. Il est environ 100 000 fois plus petit que l'atome lui-même. Cela nous emmène un million de fois plus loin que la nanotechnologie. Les noyaux appartiennent au domaine de la micronanotechnologie. En essayant de manipuler les noyaux à l'aide d'instruments macroscopiques, tels que des écailles ou des pincettes ordinaires, nous obtenons un résultat pire qu'un géant essayant de soulever un grain de sable avec une paire de tours Eiffel. C'est une tâche difficile. Pour étudier le monde nucléaire, il a fallu développer des méthodes expérimentales complètement nouvelles et créer des types d'outils inhabituels. Dans le chapitre suivant, nous visiterons un nanomicroscope ultra-stroboscopique (connu sous le nom de Stanford Two Mile Linear Accelerator (SLAC)) et une station de destruction créative (connue sous le nom de Grand collisionneur électron-positon (LEP; dans BEPK), où ont été faites les découvertes
Une autre difficulté était que le micronanoscosme, comme il s'est avéré, suit des lois qui sont complètement différentes de tout ce qui a été étudié précédemment. Avant de rendre hommage à la forte interaction, les physiciens ont dû abandonner la façon naturelle de penser pour une personne et la remplacer par d'étranges idées nouvelles. Nous examinerons ces idées plus en détail dans les prochains chapitres. Ils sont si étranges que si je les donne comme faits, ils ne vous sembleront pas plausibles *, cependant, ils ne devraient pas ressembler à cela. Certaines des nouvelles idées sont complètement différentes de tout ce qui était connu auparavant. Ils peuvent contredire - et probablement contredire en fait! - ce que tu as étudié à l'école. (Cela dépend de l'école que vous avez fréquentée et quand.) Dans ce court chapitre, je vais expliquer ce qui nous a poussés à la révolution. Ce chapitre sert à combiner le concept traditionnel de la physique nucléaire, qui est toujours présenté dans la plupart des manuels de physique que j'ai rencontrés pour les lycéens et les étudiants de première année, avec notre nouvelle compréhension.
Dragon Fight
La découverte du neutron par James Chadwick en 1932 a été un événement marquant. Après la découverte de Chadwick, le chemin vers la compréhension semblait simple. Il semblait que les éléments constitutifs des noyaux avaient été découverts. Ce sont des protons et des neutrons, deux types de particules qui pèsent à peu près la même chose (un neutron est 0,2% plus lourd) et ont des interactions fortes similaires. Les différences les plus évidentes entre les protons et les neutrons sont que le proton a une charge électrique positive et que le neutron est électriquement neutre. De plus, un neutron isolé est instable. La période de son existence est d'environ 15 minutes, après quoi le neutron se transforme en proton (et en même temps un électron et un antineutrino apparaissent également). En ajoutant simplement des protons et des neutrons, vous pourriez créer des modèles du noyau avec différentes charges et masses qui correspondent à peu près aux paramètres similaires des noyaux connus.
Il semblait que comprendre et affiner ces modèles n'était qu'une question de mesure des forces agissant sur les protons et les neutrons. Ces forces empêcheraient les noyaux de se décomposer. Les équations décrivant ces forces deviendraient une théorie de l'interaction forte. En résolvant les équations de cette théorie, nous pourrions la tester et faire des prédictions. Ainsi, nous écririons un nouveau chapitre laconique intitulé «physique nucléaire», dont l'idée centrale serait «force nucléaire», décrite par une équation simple et élégante.
Un tel programme d'action a incité les expérimentateurs à étudier les collisions de protons avec d'autres protons (neutrons ou autres noyaux). Nous appelons de telles expériences, dans lesquelles les particules entrent en collision avec d'autres et étudions ce qui s'est passé, une expérience de diffusion. L'idée est qu'en étudiant la déviation des protons et des neutrons, ou, comme nous le disons, la diffusion, vous pouvez déterminer quelles forces agissent sur eux.
Cette stratégie simple a lamentablement échoué. Premièrement, le pouvoir était très complexe. Il a été constaté qu'il a une dépendance complexe non seulement de la distance entre les particules, mais aussi de leur vitesse et de la direction de leurs spins. Il est vite devenu évident que nous ne pourrions pas trouver une loi simple et belle pour cette force, digne d'une place avec la loi de gravité de Newton ou la loi de Coulomb pour l'électricité.
Deuxièmement, ce qui était encore pire, le «pouvoir» n'était pas le pouvoir. Lorsque deux protons énergétiques entrent en collision, leur déviation ne se produit pas seulement. Il en résulte souvent plus de deux particules qui ne sont pas nécessairement des protons. En fait, au cours d'expériences de diffusion à haute énergie par des physiciens, de nombreuses nouvelles espèces de particules ont ainsi été découvertes. De nouvelles particules, dont des dizaines ont été trouvées, sont instables, nous ne les observons donc généralement pas dans la nature. Cependant, lorsqu'ils ont été étudiés en détail, il s'est avéré que leurs autres propriétés, en particulier les interactions et la taille fortes, sont similaires aux paramètres similaires des protons et des neutrons.
Après ces découvertes, il est devenu peu naturel de considérer les protons et les neutrons seuls ou de penser que le problème principal est de déterminer les forces qui déterminent leur interaction. Au lieu de cela, la «physique nucléaire» au sens traditionnel fait désormais partie d'un sujet plus vaste, comprenant des particules toujours nouvelles et des processus évidemment complexes de leur création et de leur désintégration. Pour décrire le nouveau "zoo" des particules élémentaires, ce nouveau type de dragons, le nom "hadron" a été inventé.
Hydra
L'expérience en chimie a suggéré la possibilité d'expliquer toutes ces difficultés. Peut-être que les protons, les neutrons et autres hadrons ne sont pas des particules élémentaires. Peut-être qu'ils sont constitués d'objets plus simples avec des propriétés plus simples.
En fait, si vous menez les mêmes expériences sur les atomes et les molécules que sur les protons et les neutrons, en étudiant ce qui reste après leurs collisions, vous obtiendrez également des résultats complexes. Vous pouvez réorganiser et décomposer des molécules pour obtenir leurs nouvelles espèces (ou atomes excités, ions et radicaux), en d'autres termes, effectuer des réactions chimiques. La simple loi d'interaction n'obéit qu'aux électrons et aux noyaux. Les atomes et les molécules, constitués de nombreux électrons et noyaux, n'y sont pas soumis. Pourrait-il y avoir un schéma similaire pour les protons, les neutrons et leurs proches récemment découverts? Leur complexité apparente pourrait-elle s'expliquer par le fait qu'ils sont constitués de blocs de construction plus petits qui obéissent à des lois beaucoup plus simples?
Briser quelque chose en morceaux peut être un moyen difficile, mais cette méthode peut également être la plus fiable pour comprendre en quoi elle consiste. Si deux atomes entrent en collision assez fortement, ils se désintégreront dans leurs électrons et noyaux constitutifs. Ainsi, les blocs de construction qui les composent sont découverts.
Cependant, la recherche de blocs de construction plus simples à l'intérieur des protons et des neutrons a conduit à des difficultés inhabituelles. Si vous heurtez vraiment fortement des protons, vous obtiendrez encore plus de protons, parfois accompagnés de leurs parents hadrons. Un résultat typique de la collision de deux protons à haute énergie est l'apparition de trois protons, d'un antineutron et de plusieurs mésons pi. La masse totale des particules résultantes dépasse la masse de l'original. Nous avons discuté de cette opportunité plus tôt, et maintenant elle nous a de nouveau dépassés. Au lieu d'ouvrir des blocs de construction plus petits et plus légers, de passer à des énergies toujours plus élevées et de produire des collisions toujours plus fortes, vous en trouverez encore plus. Aucune tendance à la simplification n'est observée. C’est la même chose que si vous réunissiez deux pommes de la même variété et obteniez trois pommes de la même variété, une pomme d’une autre variété, du melon, une douzaine de cerises et quelques courgettes.
Le dragon de Fermi est devenu une hydre cauchemardesque issue d'un mythe. Coupez la tête de l'hydre et quelques nouvelles apparaîtront à sa place.
Des blocs de construction plus simples existent. Cependant, leur "simplicité" fondamentale implique un comportement étrange et paradoxal qui les rend à la fois révolutionnaires pour la théorie et insaisissables lors des expériences. Pour les comprendre voire les percevoir, il faudra tout recommencer.
»Plus d'informations sur le livre sont disponibles sur
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Vilcek