Subject: [lettres] Physique pour tous
From: "Antoine Tilloy" <[email-masked]>
To: [email-masked]
Date: Tue, 23 Sep 2014 14:05:12 +0200 (MEST)

Bonjour à toutes et à tous,

Le cours de physique pour non-scientifiques a lieu cette année au premier
semestre. Le premier cours de présentation et d’introduction aura lieu le
vendredi 3 octobre de 16h à 18h  en salle 236 au deuxième étage du 29 rue
d’Ulm, les suivants tous les vendredi même endroit même heure.

Il s’agit d’un cours organisé par le département de physique mais qui ne
nécessite pas de connaissances préalables en mathématiques. Il dépasse
néanmoins largement la simple vulgarisation.  L’objectif est d’aborder les
deux principales révolutions de la physique moderne : la relativité et la
mécanique quantique. À la fin du cours, les élèves devraient avoir une
idée précise de ce que disent ces deux théories et etre capables de faire
des calculs simples dans la première.  On abordera aussi de manière plus
brève la physique statistique en définissant notamment de manière
rigoureuse la notion d’entropie. On introduira uniquement le formalisme
mathématique vital d’un point de vue conceptuel en ignorant ce qui relève
plus de la boite à outils calculatoire. Le programme est relativement
flexible et adaptable si les élèves ont des intérêts marqués pour
certaines théories ou concepts.  Tous les détails sont à la fin de cet
email.

Le cours est validable et rapporte 3 ECTS. La validation nécessite
simplement la présentation d’un petit exposé à la fin du semestre ainsi
qu’une présence à plus de 70% des cours. La validation n’est possible que
pour les non scientifiques (même si le cours lui même est évidemment
ouvert à tous).

Contactez moi si vous comptez venir (pour avoir une première idée du
nombre d’élèves cette année) ou simplement si vous avez des questions.

À vendredi prochain,

Antoine Tilloy

--------
Détail des cours :

-introduction
L’objectif du premier cours est de présenter ce que l’on étudiera ce
semestre en essayant de montrer pourquoi il s’agit d’une sélection à peu
près intelligente de ce qui est intéressant en physique. On tentera de
faire une fresque de la physique moderne en montrant où les cours  qui
suivent s’y trouvent. On fera peut-être une petite expérience de physique
statistique quantique pendant le cours.

-rappels de physique “classique”
C’est le cours le plus pénible dans la mesure où il s’agit d’un résumé de
la mécanique classique qui rappellera les joies ou les souffrances du
lycée. On exposera les lois de Newton et la formulation équivalente de la
mécanique avec l’énergie. Passage obligé qu’on essaiera de rendre le moins
ennuyeux possible, on devrait en deux heures avoir remis en place les
fondamentaux de la physique du XIXe pour aborder les choses sérieuses aux
cours suivants. Un peu à l’image des autres cours, on insistera sur les
concepts fondamentaux, les liens logiques à l’intérieur de la théorie et
on ne fera que des calculs très simples (on ignorera ainsi le calcul
traditionnel de la trajectoire d’un boulet de canon avec frottements de
l’air qui n’apporte pas grand chose si ce n’est la joie toute relative de
savoir qu’on peut le faire).

-relativité et cosmologie (3 séances)
Premier gros bloc, le cours de relativité restreinte montrera que le temps
est définitivement bien plus bizarre qu’on ne le croit. La première séance
devrait être consacrée à briser méticuleusement et avec un certain sadisme
la vision naïve d’un espace temps absolu avant de reconstruire une théorie
cohérente où le temps et les distances sont plus flexibles au deuxième
cours. Le troisième cours devrait être consacré aux applications et à
quelques extensions à la cosmologie. À la fin de ce premier bloc, on saura
dire précisément pourquoi deux jumeaux peuvent avoir un âge différent si
l’un voyage dans l’espace (et calculer cette différence d’âge), pourquoi
des particules instables et éphémères peuvent avoir la vie éternelle dans
un accélérateur, pourquoi le passé le présent et le futur ne sont pas
suffisants et pourquoi il faut ajouter “l’ailleurs” (ni maintenant ni
avant ni après…), plus prosaïquement comment fonctionne le GPS et pourquoi
si James Bond court à 20km/h dans le sens de la marche sur le toit d’un
train roulant à 100km/h, il ne va pas exactement à 120km/h par rapport au
sol.

-physique statistique (2 séances)
Ce domaine de la physique est souvent méconnu du grand public alors qu’il
occupe presque la moitié des chercheurs. Une fois connues les lois
fondamentales du microscopique, on verra qu’il n’est pas évident de
comprendre comment fonctionne le monde à notre échelle, c’est ce saut
qu’essaie de faire la physique statistique. On définira précisément et
rigoureusement la notion d’entropie, notion en général extrêmement mal
vulgarisée qui permet de comprendre une grande partie du problème. On
verra que si l’énergie de l’univers se conserve, son entropie augmente
inexorablement, que si les équations microscopiques sont réversibles, la
réalité macroscopique est désespérément irréversible. Le deuxième cours
sera consacré aux applications plus modernes de la physique statistique et
à l’utilisation du formalisme développé au premier cours à des problèmes
hors de la physique (théorie de l’information notamment).

-mécanique quantique (4 séances)
Après avoir détruit le théâtre fixe de la physique avec le cours de
relativité, on verra ici que la réalité même des acteurs n’est pas si
évidente. La physique quantique est de loin le plus gros challenge de ce
cours tant sur le plan technique que sur les plans conceptuel et
philosophique. On commencera par présenter les résultats extrêmement
surprenants observés dans les expériences pour se convaincre qu’aussi
bizarre que puisse être la construction théorique qui suivra, il ne s’agit
pas uniquement du fruit d’un délire de physiciens : la réalité elle même a
une bizarrerie irréductible. On présentera ensuite de la manière la plus
claire possible le formalisme de la mécanique quantique en insistant sur
description en terme la fonction d’onde. On terminera ce bloc en
démontrant le théorème de Bell qui est un des plus gros tours de forces de
la physique moderne : il s’agit de la démonstration théorique et
expérimentale, qu’il ne peut pas exister de réalité purement locale. Ainsi
les acteurs qui n’ont déjà plus de scène ne peuvent-ils pas être
constitués d’une substance dotée de propriétés, toute ontologie naïve est
impossible, la matière est plus subtile qu’on ne le croit. Outre ce
résultat fondamental surprenant, on verra notamment que deux réalités
classiquement antagonistes sont superposables (la fameux chat de
Schrödinger à la fois mort et vivant), que des particules peuvent se
téléporter à travers des murs, que des millions d’électrons peuvent agir
comme un seul quand ils sont froids, qu’un atome est une onde quand on ne
le regarde pas et une particule presque ponctuelle quand on le regarde, on
verra enfin que cette bizarrerie est fragile, qu’elle se détruit lorsque
l’on dézoome, et que la réalité traditionnelle et désormais ennuyeuse
émerge presque par surprise à notre échelle.

-modèle standard : l’état de l’art
La rélativité restreinte et la physique quantique sont les piliers de la
physique fondamentale, reste à savoir ce que jusqu’à aujourd’hui on a
construit dessus. Ce cours sera plus descriptif, on y présentera la
zoologie des particules élémentaires et l’état de l’art de la physique des
hautes énergies. On y verra qu’une mystérieuse particule récemment
découverte donne leur masse aux choses, que des flots de neutrinos nous
traversent chaque seconde, que le vide grouille de particules. On
esquissera enfin les problèmes qui restent à résoudre et qui font que les
physiciens ne sont pas encore satisfaits de cet édifice complexe.

-un cours à définir
Le dernier cours dépendra des envies des élèves. On pourra tenter un
aperçu succinct de la relativité générale, parler plus en détails de la
lumière et des photons, ou revenir sur un des sujets précédemment évoqués.

Quelques commentaires supplémentaires :
Le cours est parfois exigeant mais absolument pas insurmontable. Il permet
d’acquérir de vraies connaissances et de réduire sensiblement le complexe
éventuel de ceux qui n’ont pas fait de sciences. Évidemment, il ne permet
pas d’atteindre le niveau technique des physiciens de l’école, mais il
peut être une occasion de découvrir quelques sujets intéressants pour
poursuivre leur étude via d’autres cours du département. Pour plus
d’informations sur le contenu et les objectifs du cours n’hésitez pas à me
contacter. Si vous cherchez une information plus subjective (est-ce qu’on
s’ennuie, est-ce qu’on comprend ce que le type raconte ?) il vaut
peut-être mieux contacter vos camarades qui ont suivi le cours l’année
dernière et qui pourront vous donner un avis, positif ou non et en tout
cas plus neutre. Le cours est enfin ouvert à tous et vos amis qui
n’étudient pas à l’ENS sont évidemment aussi bienvenus (tant que tout le
monde rentre dans la salle).