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29 mai 2019 3 29 /05 /mai /2019 03:07

« Au cours de ma première année comme maître de conférence [1960], j’étais à la recherche d’un programme de recherche qui valait le coup. Pendant les quatre années précédentes à Londres, j’avais perdu mon chemin dans la physique des particules et je m’étais intéressé à la gravité quantique. La symétrie m’avait fasciné depuis mes années d’étudiant et j’étais embarrassé par les symétries approximatives [approximate symmetries] (que l’on appelle maintenant les symétries de saveur [flavour symmetries]) de la physique des particules. » (Peter Higgs, le 8 décembre 2013 à Stockholm).



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Le physicien américain Murray Gell-Mann est mort à 89 ans ce vendredi 24 mai 2019. Il était spécialisé dans la physique des particules, notamment la théorie des quarks, et il a reçu le Prix Nobel de Physique en 1969 (il avait alors 40 ans) pour ses contributions à la classification des particules élémentaires et de leurs interactions. Je voudrais cependant évoquer un autre physicien de la même génération, lui encore bien vivant, qui a également beaucoup travaillé dans la physique des particules.

Effectivement, l’un des plus grands scientifiques contemporains, le physicien britannique Peter W. Higgs fête son 90e anniversaire ce mercredi 29 mai 2019. Ce chercheur, spécialisé dans la physique quantique, la physique des particules et la cosmologie, professeur de l’Université d’Édimbourg et diplômé du King’s College London, est à l’origine de la découverte, d’abord théorique, d’une particule qui porte (indûment !) son nom, le boson de Higgs.

J’ai écrit "indûment" et lui, très modeste, le reconnaît bien volontiers, car cette particule a été découverte par trois équipes de chercheurs de manière indépendante et quasi-simultanée : une première équipe avec François Englert (né en 1932) et Robert Brout (1928-2011), deux physiciens belges de l’Université libre de Bruxelles, une deuxième équipe avec Peter Higgs, et une troisième équipe avec Carl Richard Hagen (né en 1937), physicien américain de l’Université de Rochester, Gerald Guralnik (1936-2014), physicien américain de l’Université Brown (dans le Rhode Island), et Thomas Kibble (1932-2016), physicien britannique de l’Université d’Édimbourg. D’ailleurs, ces six théoriciens ont reçu en même temps et pour la même raison, le 10 février 2010, le Prix Sakurai 2010 de théorie physique des particules, l’un des plus prestigieux prix en physique.

Pour simplifier, je garderai cependant l’appellation écourtée de "boson de Higgs" alors qu’il faudrait l’appeler "boson de BEHHGK" (prononcer "Beck") pour "boson de Brout-Englert-Higgs-Hagen-Guralnik-Kibble" (dans l’ordre quasi-alphabétique) ou au moins, "boson de Brout-Englert-Higgs" (BEH). Je parlerai de la même manière de "mécanisme de Higgs" pour "mécanisme de BEHHGK" et champ de Higgs avec la même simplification. Certains appellent ce boson plus conventionnellement "boson scalaire massif" ou encore "boson scalaire de brisure spontanée de symétrie". Ce furent les autres physiciens qui appelèrent dès 1964 ce boson du nom de Peter Higgs, c’est pour cela que cette dénomination est encore utilisée.

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Précisons, pour être exact, que François Englert et Peter Higgs ne se connaissaient pas lorsqu’ils ont tous les deux conclu à l’existence du boson de Higgs. François Englert et Robert Brout ont eu l’antériorité puisque leur article a été déposé le 26 juin 1964 et publié le 31 août 1964 dans la (prestigieuse) revue "Physical Review Letters" ("Broken symmetry and the mass of gauge vector mesons", vol. 13 n°9, pp. 321-323).

Peter Higgs, lui, a déposé le sien seulement le jour de la publication de l’article de Englert et Brout, c’est-à-dire le 31 août 1964 et il a été publié plus tard, le 19 octobre 1964 dans la même revue ("Broken symmetries and the masses of gauge bosons", vol. 13 n°16, pp. 508-509). L’article de Peter Higgs fait d’ailleurs référence à celui de Englert et Brout (note 4). Leur deux approches mathématiques étaient différentes mais complémentaires.

Enfin, Gerald Guralnik, Carl Richard Hagen et Thomas Kibble ont déposé le 12 octobre 1964 et publié le 16 novembre 1964, toujours dans la même revue, leur propre article ("Global conservation laws et massless particles", vol. 13 n°20, pp. 585-587).

Pour bien comprendre les procédures de publication dans des revues scientifiques de référence, il faut rappeler que cela se passe comme le dépôt d’un brevet, c’est-à-dire que l’article est rigoureusement examiné par le comité de lecture de la revue. Un comité de lecture est une instance très puissante et essentielle pour la progression et la diffusion de la science car il sélectionne les articles sérieux et rejette les articles fantaisistes ou les arnaques. Il peut cependant se tromper, la réputation d’une revue est donc directement en rapport avec la rigueur de son comité de lecture.

Revenons à nos moutons bosons (il est commun d’assimiler les bosons à des moutons et les fermions à des loups).

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Alors, qu’est-ce que le boson de Higgs ? La particule fut prédite par ces trois équipes en 1964. Jusqu’en 2010, elle fut en quelque sorte la dernière particule à découvrir (mis à part le graviton qui est encore sujet à caution) pour consolider sinon confirmer la physique quantique actuelle, ce que la communauté scientifique nomme communément le "modèle standard".

C’est une particule qui permet aux bosons de l’interaction faible de ne pas avoir de masse nulle, contrairement à la particule impliquée dans l’électromagnétisme, à savoir le photon (qui, lui, a la masse nulle). La physique quantique a défini quatre forces dans la nature : l’interaction forte, l’interaction faible, la force électromagnétique et la gravitation, et à chaque interaction est associée un boson (gluon, photon, graviton, etc.). Si l’on veut être poétique, on dira que l’existence du boson de Higgs explique la "brisure spontanée de symétrie en théorie de jauge" à basse énergie. Sans boson de Higgs, selon le "modèle standard", tout volerait en éclats, tout serait en apesanteur. La découverte d’une telle particule était donc essentielle pour comprendre l’univers.

En quelques paragraphes, c’est assez difficile (fastidieux et trop ambitieux) d’expliquer clairement la physique quantique. Pour mieux faire comprendre, je me permets de reprendre une analogie provenant du physicien David J. Miller qui a comparé le boson de Higgs à une personnalité politique.

Imaginons une salle de réception dans laquelle des militants politiques, invités à ce cocktail mondain, sont répartis à peu près de manière uniforme. Tout semble "isotrope". Puis, soudain, la personnalité politique attendue (la "guest star") arrive dans la salle. Que se passe-t-il ? Tous les invités vont à sa rencontre, s’attroupent devant ou derrière elle, la suivent, la saluent, l’embrassent parfois, etc. Cela donne à ces militants une masse qu’ils n’avaient pas avant son arrivée.

C’est un peu ce qu’il se passe avec le mécanisme de Higgs. Le boson de Higgs crée le champ de Higgs (force de nature électrofaible) qui donne une masse aux particules.

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Pendant plus d’une quarantaine d’années, l’existence du boson de Higgs n’était que "théorique" et n’a jamais été prouvée expérimentalement. L’un des gros soucis pour le détecter est sa durée de vie ultra-courte : seulement seize cents millièmes d’un milliardième de milliardième de seconde !

Peter Higgs pensait-il qu’on arriverait un jour à découvrir expérimentalement sa particule ? Probablement pas, en tout cas, probablement pas de son vivant. C’était sans compter les imposants outils technologiques dont sont capables de se doter physiciens et ingénieurs. Or, l’installation au CERN (Centre d’études et de recherches nucléaires à Genève) du plus grand accélérateur de particules du monde, appelé le LHC pour Large Hadron Collider (grand collisionneur de hadrons) a donné beaucoup d’espoirs de confirmer des points de théorie quantique jamais encore prouvés expérimentalement.

Là non plus, mon but n’est pas d’expliquer trop précisément ce qu’est un accélérateur de particules. C’est un anneau qui permet de faire accélérer des particules. Plus l’anneau est grand, plus les particules peuvent prendre de la vitesse, plus l’énergie en jeu est grande, plus de nouvelles particules naissent et meurent au cours de ces "jets". Le LHC a une circonférence de presque 27 kilomètres. Avant le LHC, il y avait le LEP (Large Electron Positron), qui utilisait le même anneau, mais seulement pour accélérer des électrons (à masse très faible).

En faisant accélérer des protons (qui sont de la famille des hadrons), on fait accélérer des particules beaucoup plus lourdes et donc, beaucoup plus énergétiques. Ainsi, en créant une collision entre deux protons accélérés au maximum, le LHC peut obtenir une énergie de 14 TeV (téra-électron-volt). La puissance maximale du LHC est celle que peut avoir un seul proton, soit 7 TeV. Le LHC a été également conçu pour faire des collisions d’ions très lourds, comme du plomb, ce qui devrait générer une énergie de plus de 1 000 TeV.

Petit arrêt pour rappeler ce qu’est l’électron-volt : c’est une unité d’énergie, mais c'est aussi (quasiment) une unité de masse (à un rapport c2 près) en raison de la célèbre formule du physicien Albert Einstein E=mc2. La masse de l’électron a ainsi pour énergie 510 keV, tandis que la masse du proton est de 938 MeV/c2 (k=kilo, facteur 1 000, M=méga, facteur 1 million, T=téra, facteur 1 000 milliards).

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Je ne peux pas m’empêcher de faire ici un petit cocorico européen. La construction du LHC a été formellement décidée en décembre 1994 par un groupe de pays (je parle d’Europe mais pas d’Union Européenne). Il faut se souvenir qu’en 1993, les Américains avaient finalement renoncé, pour des raisons budgétaires, à construire ce qui aurait été le plus puissant accélérateur de particules, à Los Angeles, conçu pour atteindre une énergie de 20 TeV (au lieu de 7 TeV à Genève) dans un anneau d’environ 80 kilomètres. Quant au Tevatron, un accélérateur construit en 1983 à Chicago dimensionné pour une énergie de 1 TeV, il a dû fermer le 30 septembre 2011 en raison d’une absence de crédits et de clients (trop concurrencé par le LHC).

Le premier faisceau de protons a fait le tour de l’accélérateur le 10 septembre 2008 à 10 heures 28. Cette date marque une nouvelle période : les physiciens peuvent ainsi bénéficier d’un outil fabuleux et très puissant pour affiner ou confirmer leurs théories. La première collision de particules a eu lieu le 23 novembre 2009. L’un des premiers objectifs du LHC, c’était bien sûr d’observer le boson de Higgs. Certains physiciens, comme Stephen Hawking, ne croyaient pas du tout à cette possibilité (voir plus loin).

Il faut mesurer l’importance d’une observation expérimentale du boson de Higgs : cela confirmerait une des zones d’ombre du modèle standard (de la physique quantique). Mais cela n’expliquerait pas, pour autant, la "masse manquante" de l’univers. Au-delà de cette formidable victoire de la pensée humaine, une telle découverte expérimentale orienterait durablement l’évolution du modèle standard pour mieux comprendre la nature, notamment en infirmant certaines théories spéculatives (comme la théorie des cordes).

Les scientifiques sont d’abord des personnes raisonnables. Au contraire des personnages politiques, ils sont prudents, ils veulent être sûrs avant de s’avancer dans leur communication, tandis que les politiques parlent et ensuite, rament pour faire comme ils ont dit. Quand on croit observer quelque chose, on n’est pas forcément sûr, on veut être sûr, on veut confirmer, on veut refaire l’observation. Au contraire des "sciences molles" et des pas-sciences-du-tout, qui représentent environ 100% des sujets abordés dans un journal de vingt heures à la télévision, les "sciences dures" se veulent rigoureusement rigoureuses : il n’est pas question de lâcher dans la nature (ni dans "Nature") une information scientifique si elle n’est pas validée, vérifiée, contrôlée, confirmée, digérée, assurée, garantie, certaine, prouvée (ni réfutable au sens de Popper).

Mais peut-on éviter de communiquer le début d’une telle observation sensationnelle quand un millier de scientifiques, ingénieurs et techniciens sont impliqués dans ce projet ? Quand on vit dans un monde de rumeurs, de buzz, de tweets ? Impossible de garder un secret avec autant de monde. Il fallait donc communiquer tout en restant prudent, avant de perdre le contrôle de toute communication.

C’est ce qu’il s’est passé lors d’un séminaire à Genève le 13 décembre 2011 dans l’après-midi. On a indiqué que la détection du boson de Higgs était en cours, sans plus de précision. Il faut imaginer le travail : depuis l’été 2011, des milliards de milliards de collisions avaient été générées, et deux détecteurs du LHC (ATLAS : a toroidal LHC apparatus, et CMS : compact muon solenoid) avaient enregistré des collisions en excès qui devraient correspondre à l’existence (furtive, donc, vu la brièveté de sa durée de vie) de bosons de Higgs. Mais statistiquement, ce nombre d’excès était encore trop faible pour assurer la fiabilité de l’observation.

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Les deux détecteurs ont ainsi pu donner une estimation des caractéristiques de la particule. ATLAS a évalué la masse du boson de Higgs autour de 125 GeV/c2 (entre 116 et 130 GeV/c2 selon Fabiola Gianotti) et CMS autour de 124 GeV/c2 (entre 115 et 127 GeV/c2 selon Guido Tonelli), ce qui est cohérent. Cela a justifié ainsi, a posteriori, la nécessité d’un accélérateur de particules à haute énergie, puisque le boson de Higgs aurait alors une masse une centaine de fois plus grande que le proton (voir plus haut à propos de l’électron-volt).

Il a fallu finalement attendre le mercredi 4 juillet 2012 pour confirmer ces premières observations. Le directeur général du CERN Rolf Heuer n’a pas hésité à dire, très enthousiaste : « Nous avons franchi une nouvelle étape dans notre compréhension de la nature. ». L’observation du boson de Higgs a en effet été considérée comme statistiquement fiable à cette date. Sa masse serait de 125,3 (+/-0,6) GeV/c2, soit 133 fois celle du proton, avec une certitude (précision) de 99,9999%. La réaction de son père théorique a été celle-ci : « Je suis stupéfait par l’incroyable vitesse avec laquelle ces résultats ont été obtenus. ». Peter Higgs, qui avait fait le déplacement avec son collègue François Englert (Robert Brout n’a pas survécu jusque-là) au CERN de Genève, n’imaginait pas le voir un jour : « Je n’aurais jamais pensé assister à cela de mon vivant et je vais demander à ma famille de mettre le champagne au frais ! ».

Peter Higgs, qui a été malade que ses compatriotes  aient voté pour le Brexit en juin 2016 (parce que la science n'a pas de frontières), a été largement récompensé au cours de sa carrière pour son travail sur le boson de Higgs, en recevant de nombreux prix prestigieux, comme la Médaille Dirac en 1997 et le Prix Wolf de physique en 2004 (avec François Englert et Robert Brout). Mais il lui manquait encore le principal…

La découverte expérimentale de sa particule au CERN ne laissait aucun doute que le Prix Nobel de Physique lui serait décerné ainsi qu’à François Englert. Il fut annoncé le 8 octobre 2013 et la cérémonie de réception a eu lieu le 8 décembre 2013 à Stockholm (discours et vidéo à télécharger ici). On aurait pu imaginer aussi que la troisième équipe fût récompensée également, tout comme l’équipe des chercheurs du LHC impliqués dans la détection concrète de la particule imaginée par Higgs. En 1987, le Nobel de Physique, en effet, avait récompensé les deux physiciens (Karl Alexander Müller et son collaborateur Johannes Bednorz) qui avaient détecté la supraconductivité à haute température critique sur une céramique chez IBM à Zurich, mais c’étaient des chimistes normands qui avaient composé cette céramique (dans un tout autre but que la supraconductivité).

Peter Higgs et François Englert n’auraient jamais reçu de Prix Nobel si le boson de Higgs n’avait pas été détecté, car le prix récompense des découvertes concrètes et pas les prédictions purement théoriques et somme toute, spéculatives. C’était ce que pensait aussi le physicien britannique Stephen Hawking de sa découverte du rayonnement des trous noirs : « J’ai rencontré un certain succès dans ma carrière scientifique : la plupart des spécialistes de physique théorique ont admis, me semble-t-il, l’émission quantique des trous noirs que j’ai décrite, même si cela ne m’a pas encore valu de Prix Nobel, parce que c’est très difficile à vérifier de manière expérimentale. » ("Une brève historie de ma vie").

L’installation en 2008 d’un outil aussi puissant que le LHC pouvait donner beaucoup d’espoirs à beaucoup de physiciens de valider par l’observation leurs théories. Mais Stephen Hawking ne comptait pas trop là-dessus : « Le plus excitant pour moi serait qu’il [le LHC] trouve de petits trous noirs, car je recevrais alors le Prix Nobel. Cependant, comme je ne pense pas que ce soit très probable, je ne retiens pas mon souffle. ».

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Puisque j’évoque la figure de Stephen Hawking, je termine par une anecdote, par un match entre ces deux personnalités scientifiques de gros calibre qui a eu lieu le 2 septembre 2003 par presse interposée. Un article du journal "The Scotsman" a évoqué des propos tenus en privé par Peter Higgs lors d’un dîner dans un restaurant tranquille d’Édimbourg, organisé en l’honneur d’une pièce de théâtre inspirée des travaux de Paul Dirac. À l’époque (2003), Peter Higgs, homme pondéré et humble, était déjà reconnu par la communauté scientifique comme l’un des physiciens majeurs, mais n’avait pas encore reçu de Prix Nobel, tandis que la célébrité de Stephen Hawking était déjà mondiale en raison de son best-seller "Une brève histoire du temps".

Friand de paris, Stephen Hawking, qui ne croyait pas à l’existence du boson de Higgs, avait parié que les physiciens du LEP (l’ancien accélérateur du CERN de Genève, voir plus haut) ne trouveraient pas la particule. Lorsque le LEP a été définitivement fermé en 2002 (pour construire à la place le LHC), les physiciens qui avaient travaillé sur le sujet avaient été déçus, tandis que Stephen Hawking triomphait, mais agaçait aussi les chercheurs en physique des particules.

On avait là un duel ordinaire entre cosmologues (comme Hawking), étudiant l’infini grand (Relativité générale) et physiciens des particules (comme Higgs), étudiant l’infini petit (physique quantique). Beaucoup de physiciens des particules critiquaient l’arrogance de Stephen Hawking, mais se gardaient bien de le faire publiquement (la règle, c’est de ne pas critiquer publiquement Hawking, comme on ne critique pas publiquement Lady Di). Au cours du dîner évoqué, Peter Higgs a fait exception et a lâché à un journaliste à propos de Stephen Hawking : « Il est difficile de dialoguer avec lui, et il a donc échappé aux déclarations, d’une manière que les autres ne voudraient pas. Son statut de star lui donne une crédibilité instantanée que les autres n’ont pas. ».

Message reçu en pleine face par Stephen Hawking qui a immédiatement réagi dans "The Independent" sans aucun sens de l’humour : « Je suis surpris par la profondeur des sentiments dans les propos de Higgs. J’espère que l’on pourra discuter de questions scientifiques sans attaques personnelles. ». La polémique s’est arrêtée là.

Eh oui, la vie politique n’en a pas le monopole : la communauté scientifique n’est pas exclue des batailles d’ego et des échanges de petites phrases déplaisantes. Pour un résultat particulièrement stérile et ridicule par rapport aux contributions exceptionnelles que les deux physiciens ont apportées à la science et à la compréhension de l’univers.


Aussi sur le blog.

Sylvain Rakotoarison (28 mai 2019)
http://www.rakotoarison.eu


Pour aller plus loin :
Le discours de réception de Peter Higgs le 8 décembre 2013 à Stockholm (vidéo et texte à télécharger).
Les trois publications scientifiques qui ont prédit l’existence du boson de Higgs (à télécharger).
Peter Higgs.
Léonard de Vinci.
Stephen Hawking, Dieu et les quarks.
La disparition de Stephen Hawking.
Un génie très atypique.
Les 60 ans de la NASA.
Document à télécharger : la publication de Max Planck du 7 janvier 1901, "On the Law of the Energy Distribution in the Normal Spectum", qui fit naître la physique quantique.
Max Planck.
Georg Cantor.
Jean d’Alembert.
David Bohm.
Marie Curie.
Jacques Friedel.
Albert Einstein.
La relativité générale.
Bernard d’Espagnat.
Niels Bohr.
Paul Dirac.
Olivier Costa de Beauregard.
Alain Aspect.

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http://rakotoarison.over-blog.com/article-sr-20190529-peter-higgs.html

https://www.agoravox.fr/actualites/technologies/article/peter-higgs-sa-particule-son-boson-215472

http://rakotoarison.canalblog.com/archives/2019/05/16/37340585.html





 

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28 mai 2019 2 28 /05 /mai /2019 01:29

Trois équipes indépendantes ont proposé en 1964 l'idée de l'existence du boson de Higgs pour comprendre le modèle standard de la théorie quantique. On peut lire leurs publications sur Internet.

Cliquer sur les liens correspondant aux publications mises en référence (fichier .pdf).

François Englert et Robert Brout, « Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons », Physical Review Letters, vol. 13, no 9,‎ 31 août 1964, p. 321-321 (DOI 10.1103/PhysRevLett.13.321, Bibcode 1964PhRvL..13..321E).
http://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.13.321

Peter W. Higgs, « Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons », Physical Review Letters, vol. 13, no 16,‎ 19 octobre 1964, p. 508-509 (DOI 10.1103/PhysRevLett.13.508, Bibcode 1964PhRvL..13..508H).
http://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.13.508

Gerald S. Guralnik, Carl R. Hagen et Thomas W. B. Kibble, « Global Conservation Laws and Massless Particles », Physical Review Letters, vol. 13, no 20,‎ 16 novembre 1964, p. 585-587 (DOI 10.1103/PhysRevLett.13.585, Bibcode 1964PhRvL..13..585G).
http://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.13.585

"Searches for Higgs Bosons" par P. Igo-Kemenes (Heidelberg), octobre 2005.
http://pdg.lbl.gov/2006/listings/s055.pdf

Pour en savoir plus :
http://rakotoarison.over-blog.com/article-sr-20190529-peter-higgs.html

SR

http://rakotoarison.over-blog.com/article-srb-20190529-publi-boson-higgs.html

 

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2 octobre 2018 2 02 /10 /octobre /2018 12:12

Parmi les trois physiciens qui ont reçu le Prix Nobel de Physique ce mardi 2 octobre 2018; il y a le Français Gérard Mourou, chercheur à l'Ecole Polytechnique à Palaiseau et à l'Université du Michigan, spécialiste des lasers et des champs électriques, pour le procédé Chirped Pulse Amplification (CPA), mis au point avec son ancienne doctorante Donna Strickland à l'Université de Rochester,  permettant de créer des impulsions très brèves de très hautes puissances (de l'ordre du térawatt).

Cliquer sur le lien pour télécharger la présentation des travaux de Gérard Mourou (fichier .pdf) :
http://archive.wikiwix.com/cache/?url=http%3A%2F%2Fwww.fresnel.fr%2Fgis-photonique%2Fconf%2FPresentation%2520Gerard%2520Mourou.pdf

SR

http://rakotoarison.over-blog.com/article-srb-20181002-gerard-mourou.html


 

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4 août 2018 6 04 /08 /août /2018 11:57

Le 19 juin 2018, une jeune femme de 18 ans, Ewin Tang, a présenté à Berkeley une preuve qu'elle pouvait faire mieux, avec un algorithme classique, qu'avec un algorithme quantique. On dit souvent que l'avenir de l'informatique est aux ordinateurs quantiques, c'est-à-dire dont la logique n'est plus binaire (bits de 0 ou 1) mais quantique (qbits). Ce n'est pas si sûr. Voici la publication scientifique qui présente les travaux de la jeune mathématicienne, soumise le 10 juillet 2018.

Titre : A quantum-inspired classical algorithm for recommendation systems
Auteur : Ewin Tang
(Submitted on 10 Jul 2018)

Résumé :
A recommendation system suggests products to users based on data about user preferences. It is typically modeled by a problem of completing an m×n matrix of small rank k. We give the first classical algorithm to produce a recommendation in O(poly(k)polylog(m,n)) time, which is an exponential improvement on previous algorithms that run in time linear in m and n. Our strategy is inspired by a quantum algorithm by Kerenidis and Prakash: like the quantum algorithm, instead of reconstructing a user's full list of preferences, we only seek a randomized sample from the user's preferences. Our main result is an algorithm that samples high-weight entries from a low-rank approximation of the input matrix in time independent of m and n, given natural sampling assumptions on that input matrix. As a consequence, we show that Kerenidis and Prakash's quantum machine learning (QML) algorithm, one of the strongest candidates for provably exponential speedups in QML, does not in fact give an exponential speedup over classical algorithms.

Comments : 35 pages
Subjects : Information Retrieval (cs.IR); Data Structures and Algorithms (cs.DS); Machine Learning (cs.LG); Quantum Physics (quant-ph)
Cite as : arXiv:1807.04271 [cs.IR]
(or arXiv:1807.04271v1 [cs.IR] for this version)
Submission history
From: Ewin Tang
[v1] Tue, 10 Jul 2018 20:57:24 GMT (31kb)

Cliquer sur le lien pour télécharger la publication scientifique (fichier .pdf) :
https://arxiv.org/pdf/1807.04271

SR

http://rakotoarison.over-blog.com/article-srb-20180710-publi-algorithme-quantique.html


 

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25 juillet 2018 3 25 /07 /juillet /2018 22:59

Une nouvelle publication scientifique confirme la théorie de la Relativité générale d'Einstein sur le décalage vers le rouge des rayonnements émis d'un astre, ici un trou noir supermassif.

Titre de la publication : "Detection of the gravitational redshift in the orbit of the star S2 near the Galactic centre massive black hole".
Accepted for publication in A&A Letters, 29 June 2018, 10 pages, 6 figures.
Premier auteur (corresponding author) : F. Eisenhauer.
(La publication est le résultat du travail d'une collaboration d'une quarantaine de scientifiques).

Cliquer sur le lien pour télécharger la publication scientifique (fichier .pdf) :
https://arxiv.org/pdf/1807.09409.pdf

Pour en savoir plus :
http://rakotoarison.over-blog.com/article-sr-20151125-einstein-relativite.html

SR

http://rakotoarison.over-blog.com/article-srb-20180629-publi-einstein-trou-noir.html


 

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25 juillet 2018 3 25 /07 /juillet /2018 22:57

Les scientifiques de la mission européenne Mars Science Laboratory ont annoncé le 25 juillet 2018 dans la revue "Science" qu'il ont détecté un grand lac d'eau liquide sous le sol martien. La publication est :

"Radar evidence of subglacial liquid water on Mars", R. Orosei et al., "Science", publié le 25 juillet 2018.

Cliquer sur le lien pour télécharger la publication (fichier .pdf) :
http://science.sciencemag.org/content/sci/early/2018/07/24/science.aar7268.full.pdf

Pour en savoir plus :
http://rakotoarison.over-blog.com/article-sr-20180729-nasa.html

SR

http://rakotoarison.over-blog.com/article-srb-20180725-publi-mars-eau.html

 

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15 juin 2018 5 15 /06 /juin /2018 22:11

« Dans toutes ces expériences, si on ne sait pas être blasé, la première réaction est toujours l’étonnement. Mais ensuite, il y a un deuxième sentiment que j’espère vous avoir fait partager : c’est l’émerveillement devant la subtilité de ces phénomènes, et devant la puissance de cette mécanique quantique qui permet non seulement de les décrire, mais aussi, après quatre-vingts ans de bons et loyaux services, de toujours en découvrir de nouveaux. » (Alain Aspect, à Paris le 17 juin 2002).


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C’est ce 15 juin 2018 que le physicien français Alain Aspect a 71 ans. Par les hasards de la chronologie, il est né exactement dix ans après Michèle Cotta et vingt ans après Hugo Pratt. Pour moi, Alain Aspect est un véritable héros national, qui a contribué mille térafois plus au prestige national de la France que les prétendus "patriotes" de pacotille qui profitent du système en ramassant la colère populaire et qui n’ont jamais rien apporté de constructif à la France, mandats électifs après mandats électifs.

Alain Aspect est ce qu’on pourrait appeler un chercheur qui a trouvé, un physicien qui a réussi une brillante carrière, puisqu’il a obtenu jusqu’à la récompense la plus honorable pour un scientifique en France, à savoir la Médaille d’or du CNRS qu’il a reçue le 9 novembre 2005 et d’autres hautes récompenses internationales, comme le Prix Wolf reçu à Tel-Aviv le 13 mai 2010 des mains de Shimon Pérès. Il fait partie régulièrement des "nobélisables", et la France est très bien classée dans ce domaine puisqu’elle obtient un Prix Nobel de Physique en moyenne tous les cinq ans ces dernières décennies.

Normalien, agrégé de physique en 1969 avec un DEA en optique en 1968 (à Paris-Orsay) et une thèse de 3e cycle soutenue en 1971 à Orsay (sur la spectroscopie par holographie), docteur d’État en 1983 (après avoir passé trois ans en coopération à Yaoundé, au Cameroun, entre 1971 et 1974), professeur à Normale Sup. Cachan, puis Polytechnique, il travailla ensuite dans l’équipe de recherche de Claude Cohen-Tannoudji (Prix Nobel 1997) sur le refroidissement laser des atomes, puis en 1992, il fut nommé directeur de recherches au CNRS à l’Institut d’Optique, à Palaiseau (jusqu’en 2012) et y a créé un groupe d’optique atomique quantique où il travailla sur la rugosité d’une surface à l’échelle du dixième de nanomètre, et sur les condensats de Bose-Einstein. Élu correspondant le 25 avril 1994, il fut élu membre de l’Académie des sciences le 5 novembre 2001 à la section Physique.

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Le 10 mai 2012 à Berne, Alain Aspect a été récompensé par la Médaille Albert-Einstein (autres récipiendaires notamment : Stephen Hawking en 1979, Friedrich Traugott Wahlen en 1982, Rudolf Ludwig Mössbauer en 1986, John Wheeler en 1988, Roger Penrose en 1990, Thibault Damour en 1996, Hubert Reeves en 2001, Kip Thorne en 2009, Roy Kerr en 2013, Charles Misner en 2015, etc.).

Le 15 novembre 2013 à Berne, Alain Aspect a aussi reçu le Prix Balzan qui récompense non seulement la science et la culture mais aussi les actions humanitaires (en ce sens, ce n’est pas un prix scientifique en tant que tel), et parmi les autres lauréats, on y trouve notamment Jean XXIII (1962), Mère Térésa (1978), Ernest Labrousse (1979), Jean Piaget (1979), Jorge Luis Borges (1980), Jean-Baptiste Duroselle (1982), Jean-Pierre Serre (1985), René Étiemble (1988), Emmanuel Lévinas (1989), l’Abbé Pierre (1991), György Ligeti (1991), Yves Bonnefoy (1995), Paul Ricœur (1999), Claude Lorius (2001), Jean-Pierre Changeux (2001), Marc Fumaroli (2001), Dominique Schnapper (2002), Xavier Le Pichon (2002), Serge Moscovici (2003), etc.

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La carrière d’Alain Aspect est "classique" (néanmoins prestigieuse), mais le sujet de ses travaux est peu "classique" puisqu’il concerne la physique quantique. Il a posé une pierre essentielle à la construction de celle-ci à la fin des années 1970 et au début des années 1980 avec ce qu’on appelle désormais "l’expérience d’Aspect".

Je vais tenter d’exposer rapidement, clairement et le plus simplifié possible de quoi il s’agit. Que les lecteurs puristes et rigoureux me pardonnent donc les raccourcis, les courts-circuits de la pensée, les simplifications honteuses car il s’agit d’une discipline intellectuellement subtile et surtout étonnante, aux équations peu abordables aux "profanes" mais dont l’interprétation concerne, à mon sens, tout citoyen correctement équipé de deux lobes cérébraux s’intéressant à l’épistémologie et plus généralement, à la philosophie.

C’est à cause de cette entrée au cœur de la philosophie moderne que même les "profanes" (finalement, je n’aime pas trop ce mot qui laisse croire que la science est une secte réservée à des "initiés", or personne n’est exclu d’étudier pendant une demi-dizaine d‘années les équations de la physique quantique) ont voulu la comprendre, à l’instar du grand penseur de la complexité qu’est Edgar Morin. Le risque évidemment est qu’elle tombe également entre des mains de charlatans, plus ou moins volontaires, plus ou moins assumés, qui, au mieux, n’ont rien compris et au pire, la manipulent pour vendre leur camelote (le mot "quantique" fait joli dans les brochures ésotériques).

La physique quantique s’est construite pas à pas, d’abord par fragments jusqu’à des essais de théories globalisantes. En très synthétique, on peut dire que deux branches ont révolutionné la physique qui se voulait déterministe de la fin du XIXe siècle et qui reposait sur la mécanique de Newton et l’électromagnétisme de Maxwell : la physique quantique qui, comme son nom l’indique ("quantum") décrit un environnement discontinu (en énergie) dans l’infiniment petit (celui des particules élémentaires qui sont à la fois onde et corpuscule) et la relativité qui repose sur une notion "osée" de l’espace-temps et de la gravitation dans l’infiniment grand.

Dans ces deux aventures scientifiques de la première moitié du XXe siiècle, Albert Einstein a été un acteur inégalable. C’est lui qui a proposé la révolution de la relativité (en reprenant des travaux antérieurs, dont ceux d’Henri Poincaré) et qui a contribué de deux manières déterminantes à la rapide construction de la théorie quantique : d’une part, en "découvrant" l’effet photo-électrique (qui lui a valu son Nobel) et d’autre part, en émettant pendant des décennies des critiques très constructives contre les idées de ses collègues "quanticiens".

Le principal front ouvert par Einstein fut paradoxalement philosophique et pas scientifique. Sans être croyant (il se disait athée), Einstein a lâché sa célèbre formule : « Dieu ne joue pas aux dés. ». Histoire de résumer que la tournure probabiliste de la théorie quantique ne le satisfaisait pas du tout.

En effet, en raison de l’indétermination de Heisenberg, la théorie quantique a "décrété" qu’on ne pourrait jamais mesurer précisément à la fois la position et la vitesse d’une particule. Le seul fait de vouloir la mesurer perturberait la réalité. Il s’en est donc suivi que les équations ne pouvaient fournir ces informations que de manière probabiliste. Que l’électron est probablement à cet endroit-ci, mais il pourrait très bien être à cet endroit-là. C’est la notion (compliquée) d’orbitale électronique. Cela révolutionne la pensée scientifique car cela casse tout déterminisme.

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Einstein a alors proposé le 25 mars 1935 (dans un article célèbre : "Can quantum-mechanical decription of physical reality be considered complete ?" publié le 15 mai 1935 dans "Physical Review") une expérience de la pensée, le paradoxe EPR. Il y a une incohérence avec les trois éléments suivants : la limite infranchissable de la vitesse de la lumière, l’absence de variable cachée locale (la non-localité), et l’indépendance entre deux particules éloignées. Avec ce paradoxe, il a introduit le concept de particules intriquées.

En travaillant avec d’autres physiciens (Boris Podolsky et Nathan Rosen), Einstein a donc émis une hypothèse, venue d’une intuition, et on sait que ses intuitions ont été parfois très fécondes : si les équations "actuelles" ("actuelles" se réfère à l’époque d’Einstein mais elles n’ont pas beaucoup "bougé" depuis plus de soixante ans) sont obligées d’utiliser des probabilités, c’est parce qu’il "nous" manque (le "nous" se rapporte à l’humanité) des paramètres que nous n’avons pas encore pris en compte. C’est la théorie des "variables locales cachées". Avec des variables supplémentaires, les équations redeviendraient déterministes et tout rentrerait "dans l’ordre". Comme s’il nous manquait un pan de la réalité physique que nous n’aurions pas encore pris en compte. En clair, comme si la théorie quantique "actuelle" était incomplète, que sa forme "actuelle" n’était que transitoire en attendant "mieux".

À cela, la grande majorité des physiciens du temps d’Einstein a répondu selon l’interprétation formulée par l’école de Copenhague. Pourquoi Copenhague ? Parce que ce fut dans cette ville qu’a travaillé probablement le plus grand savant de tous les temps, Niels Bohr. Bohr admettait bien sûr l’insatisfaction d’Einstein mais répliquait que la théorie telle que formulée avec des probabilités avait un intérêt : elle fonctionnait. C’est ainsi qu’on a inventé le laser, l’imagerie par résonance magnétique, les fibres optiques, les transistors, les circuits intégrés, les ordinateurs, etc. L’école de Copenhague est une école d’abord pragmatique. Sans illusion d’ailleurs, car les théories sont toujours un jour ou l’autre remises en cause, dans l’histoire, ou reformulées, affinées, précisées. Ce qui compte, finalement, c’est que le principe d’inséparabilité des particules : des particules intriquées le restent tout le temps, même éloignées, même lorsqu’elles ne sont plus en capacité de communiuer.

Werner Heisenberg a ainsi constaté : « Il est très important de se rendre compte que notre objet a forcément été en contact avec les autres parties du monde, à savoir les conditions expérimentales, l’appareil de mesure, etc., avant l’observation et, au minimum, pendant l’observation. Cela signifie que l’équation du mouvement pour la fonction de probabilité contient maintenant l’influence de l’interaction avec le dispositif de mesure. Cette influence introduit un nouvel élément d’indétermination (…). La transition du "possible" au "réel" lors de la [réduction du paquet d’onde] a lieu pendant l’acte d’observer. » (1971).

Je reformule le débat. D’un côté, il y a Einstein qui dit que si l’on ne connaît pas exactement l’état d’une particule, c’est parce que les moyens de mesures ne le peuvent pas, mais que cet état est déjà déterminé. De l’autre côté, il y a Bohr qui explique que tant qu’on n’a pas mesuré la réalité, cette réalité n’existe pas, l’état de la particule n’est pas déterminé et reste probabiliste.

Le problème avec ce débat intellectuel, c’est qu’il n’y avait pas matière à départager par l’expérience, seule procédure correcte dans la démarche scientifique : émettre une théorie et la valider ou l’invalider par l’expérience (ce n’est pas si évident que cela, nous a dit Karl Popper, mais cela permet au moins d’évacuer toutes les théories fumeuses).

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Il n’y avait pas matière à départager jusqu’à ce que le physicien théoricien irlandais John Stewart Bell, également mathématicien (comme d’autres physiciens, par exemple Paul Dirac), a proposé ses (fameuses) inégalités de Bell pour "s’opposer" à l’interprétation de Copenhague dans un article soumis le 4 novembre 1964 à "Physics" ("On the Einstein Podolsky Rosen paradox"). Il s’agit d’un théorème dans le domaine de la théorie des groupes que je me garderai d’exposer ici. Disons seulement que ces inégalités tracent une frontière mesurable entre un comportement classique et un comportement quantique de deux particules dans un état quantique "intriqué", c’est-à-dire "enchevêtré" ou encore "corrélé", ce qui a permis d’envisager de concevoir une expérience qui n’était pas qu’une expérience de la pensée (comme le chat de Schrödinger) mais une véritable expérience matérielle, réelle, palpable, mesurable.

Ce qui est intéressant, c’est que les physiciens qui ont voulu travailler sur ce sujet étaient d’abord motivés par la volonté de donner raison à Einstein. John Bell, par ailleurs, était fasciné par les jumeaux et la capacité qu’ils ont, même éloignés, de réagir pareillement.

Des premières expériences ont été réalisées en 1971 et 1976 par John F. Clauser et Ed Fry sur un schéma proposé par John F. Clauser, Michael Horne, Abner Shimony et Richard Holt le 4 août 1969 ("Proposed experiment to test local hidden-variable theories" publié le 13 octobre 1969 dans "Physical Review Letters"). John F. Clauser était alors un étudiant et en révisant ses cours avant ses examens, il avait découvert, fasciné, la publication de John S. Bell. Embauché pour préparer un doctorat, le thésard, voulant démontrer qu’Einstein avait raison car lui-même ne comprenait rien à la physique quantique, a donc réalisé les premières expériences qui, à son grand étonnement, ont plutôt validé l’interprétation de Copenhague.

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J’écris "plutôt" car ce n’était pas avec le schéma idéal de John S. Bell : « Ce dernier avait souligné l’importance d’une expérience dans laquelle on pourrait modifier au dernier moment la grandeur mesurée sur chacune des particules. On interdirait ainsi toute forme de communication directe entre elles, sauf à accepter une interaction plus rapide que la lumière, ce qui est interdit par le postulat de base de la relativité d’Einstein. » (Alain Aspect, le 15 novembre 2013).

Le 2 décembre 1975, Alain Aspect a proposé une méthode expérimentale sophistiquée pour savoir si les inégalités de Bell seraient violées ou pas ("Proposed experiment to test the nonseparability of quantum mechanics" publié le 15 octobre 1976 dans "Physical Review") : « Je proposai en 1975 un schéma expérimental permettant de modifier l’orientation d’un polariseur en quelques milliardièmes de second, afin de répondre à cette exigence. » (15 novembre 2013).

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Petite parenthèse sur les dates : un article de 1976 pour répondre à un article de 1935. Il y a exactement le même temps écoulé depuis, entre 1976 et 2017 qu’entre 1935 et 1976. Une quarantaine d’années, cela peut paraître très long, à l’échelle d’une carrière de scientifique, mais à l’échelle de l’histoire des sciences, c’est très court !

Si ces inégalités étaient validées, cela signifierait que la théorie quantique serait incomplète et qu’il faudrait imaginer de la compléter par des variables locales. Si au contraire, elles étaient violées, cela prouverait le principe de non-localité et confirmerait l’interprétation de Copenhague.

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Pour son doctorat d’État, encouragé par Olivier Costa de Beauregard et Christian Imbert, Alain Aspect a donc conçu et réalisé les premières expériences de non-séparabilité entre 1976 et 1985. Il fut aidé de deux ingénieurs, Gérard Roger et André Villing, et fut rejoint par deux étudiants, Philippe Grangier et Jean Dalibard.

Les premiers résultats ont été annoncés le 12 juillet 1982 dans "Physical Review Letters" par un article soumis le 30 décembre 1981 par Alain Aspect : "Experimental realization of Einstein-Podolsky-Rosen-Bohm Gedankenexperiment : a new violation of Bell’s inequalities".

Alain Aspect a raconté par la suite : « Le résultat fut sans appel : la violation indiscutable des inégalités de Bell montra qu’il est impossible d’interpréter le parallélisme des comportements des photons intriqués comme on le fait pour les jumeaux humains, dont les patrimoines génétiques identiques permettent d’expliquer les corrélations entre les caractères physiques comme la couleur des yeux, ou les profils médicaux. Les photons intriqués ne sont pas deux systèmes distincts portant deux copies identiques d’un ensemble de paramètres, dont la connaissance serait suffisante pour expliquer les corrélations. Une paire de photons intriqués doit en fait être considérée comme un système unique, inséparable, décrit par un état quantique global, impossible à factoriser en deux états relatifs à chacun des deux photons. Cette inséparabilité se manifeste même si les deux photons sont très éloignés l’un de l’autre, et même si (…) aucune interaction ne peut se propager entre eux à une vitesse inférieure ou égale à celle de la lumière. » (17 juin 2002).

L’éloignement fut de 10 mètres dans les premières expériences en 1982 mais d’autres expériences ont été refaites avec des fibres optiques avec des distances de plusieurs dizaines de kilomètres !

Étienne Klein a donné une analogie très amoureuse de cette si étrange non-séparabilité des particules intriquées : « Deux cœurs qui ont interagi dans le passé ne peuvent plus être considérés de la même manière que s’ils ne s’étaient jamais rencontrés. Marqués à jamais par leur rencontre, ils forment un tout inséparable. ».

La conséquence est philosophiquement affolante : cela signifie que deux particules intriquées le sont "pour la vie", même si elles ne peuvent plus avoir d’interaction entre elles. Et la déduction logique, ce serait soit abandonner la notion de vitesse limite (celle de la lumière), en imaginant que des signaux auraient pu aller encore plus vite que la lumière pour échanger entre les deux particules, mais cette hypothèse irait à l’encontre de toute la science développée depuis un siècle, soit qu’il existerait dans la matière une préservation d’une information, de son passé historique…

On peut donc comprendre pourquoi une telle théorie, désormais validée par l’expérience, a fasciné de très nombreux scientifiques et même bien au-delà et a pu faire éclore certaines spéculations comme la rétro-causalité.

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Mais au-delà de ces réflexions purement intellectuelles ou philosophiques, des applications concrètes ont pu provenir de ces expériences d’Alain Aspect qui considère qu’il a touché du doigt la seconde révolution quantique : « Il semblait donc, comme on le dit parfois un peu trop vite, que ces expériences avaient clos la question en donnant raison à Bohr contre Einstein. Mais le domaine allait rebondir, suite à une remarque d’une fécondité extraordinaire : la violation des inégalités de Bell montre que l’intrication quantique, découverte par Einstein et Schödinger, est un concept tellement révolutionnaire que l’on peut penser à l’utiliser pour résoudre de façon inédite des problèmes hors de portée de nos ordinateurs classiques. Souvenons-nous que le concept de dualité onde-particule, au début du XXe siècle, avait été à la base de la première révolution quantique, en permettant une compréhension profonde de la structure de la matière, et en conduisant à l’invention du transistor, des circuits imprimés, du laser. ».

En particulier dans le domaine de la cryptographie quantique, on pourrait utiliser les propriétés loufoques de la matière pour assurer la confidentialité des informations : « Toute l’idée est que vous allez envoyer une information à votre partenaire, avec le moyen de vérifier que personne ne l’a scrutée en passant. Si quelqu’un l’a regardée, vous saurez qu’il ne faut pas l’utiliser. Mais dans ce cas, tout n’est pas perdu puisque vous n’envoyez pas l’information elle-même mais une clef. Donc, si la clef a été interceptée, vous ne l’utilisez pas et vous en renvoyez une autre jusqu’à ce qu’une clef arrive sans que personne n’ait pu en faire la copie. Chaque clef ne sert qu’une fois. Donc, le problème est ramené au fait de distribuer des clefs identiques. Mais là, au moment où vous le faites, vous vous assurez que personne ne l’a interceptée. Et si c’est bien le cas, vous pouvez annoncer, sur un canal parfaitement public, comme une radio : Ok, cette clef marche, on peut échanger l’information. C’est là toute l’idée de la cryptographie quantique. Ce n’est pas une technologie inviolable. Mais si elle est violée, vous le savez obligatoirement et vous pouvez y remédier. » (Alain Aspect, sur France Info le 10 mars 2010).

D’autres applications de l’intrication quantique sont possibles, en particulier la téléportation quantique de matière qui semblerait être un domaine en pleine expansion.

Pour comprendre ces expériences d’Alain Aspect sur des particules intriquées, je conseille au lecteur de regarder la troisième partie de la série "La Magie du Cosmos" proposée par le physicien Brian Greene et diffusée sur Arte en novembre 2012 (documentaire issu de son livre au même titre publié en 2004).







C’est pour sa contribution historique dans l’histoire de la physique quantique que j’ai qualifié Alain Aspect au début de cet article de héros national. En fait, il est même un héros mondial, car la science n’a évidemment aucune frontière nationale, et ce serait bien que ceux qui ont l’habitude de dénigrer la richesse de la France puisse de temps en temps se rappeler que la France est avant tout faite de trésors. Et l’expérience d’Aspect en est un très précieux.


Aussi sur le blog.

Sylvain Rakotoarison (15 juin 2017)
http://www.rakotoarison.eu


Pour aller plus loin :
Publications historiques pour comprendre l’expérience d’Alain Aspect (à télécharger).
Série documentaire de Brian Greene "La Magie du Cosmos" (2012).
Palais de la Découverte.
Roger Mari.
Olivier Costa de Beauregard.
Alain Aspect.
Stephen Hawking.
Trofim Lyssenko.
Rosetta, mission remplie !
Le dernier vol des navettes spatiales.
André Brahic.
Evry Schatzman.
Les embryons humains, matériau de recherche ?
Cellules souches, découverte révolutionnaire et éthique.
Ernst Mach.
Darwin vaincu ?
Jean-Marie Pelt.
Karl Popper.
Sigmung Freud.
Emmanuel Levinas.
Hannah Arendt.
Paul Ricœur.
Albert Einstein.
La relativité générale.
Bernard d’Espagnat.
Niels Bohr.
Paul Dirac.
François Jacob.
Maurice Allais.
Luc Montagnier.

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http://rakotoarison.over-blog.com/article-sr-78855858.html

http://rakotoarison.canalblog.com/archives/2018/07/10/36550826.html


 

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21 avril 2018 6 21 /04 /avril /2018 04:06

« L’œuvre que [Max Planck] a accomplie est de celles qui assurent à leur auteur une gloire immortelle et, si quelque cataclysme ne vient pas anéantir notre civilisation, les physiciens des siècles à venir parleront toujours de la constante de Planck et ne cesseront de répéter avec admiration le nom de celui qui a révélé aux hommes l’existence des quanta. » (Louis de Broglie, Prix Nobel de Physique 1929).


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L’année 2018 pourrait être une année Planck pour au moins deux raisons. La première, le cent soixantième anniversaire de la naissance de Max Planck, ce lundi 23 avril 2018 (il est né le 23 avril 1858 à Kiel, dans la future Allemagne), et la seconde, c’est le centenaire de son Prix Nobel de Physique. À cause de la guerre, le Prix Nobel de Physique 1918 ne fut attribué que… l’année suivante, le 13 novembre 1919 et fut remis au lauréat le 1er juin 1920. Il a eu ce Prix Nobel quand il avait une soixantaine d’années, mais il aurait pu le recevoir dès la création de ce prix, lorsqu’il avait une quarantaine d’années (il était déjà proposé au Nobel en 1907 et 1908).

Après des études scientifiques à Berlin (où il fut l’élève de Gustav Kirchhoff et Hermann von Helmholtz), Max Planck a soutenu en 1878 (il avait 20 ans) sa thèse de doctorat sur le second principe de la thermodynamique (sur l’entropie), et en 1881, son habilitation à diriger les recherches sur d’autres travaux en thermodynamique. Après quelques années difficiles pour trouver un poste, il fut nommé professeur de physique théorique d’abord à l’Université de Kiel en 1885 puis à l’Université Humboldt de Berlin en 1892 jusqu’à sa retraite en 1932.

Avant même de recevoir le Nobel, Max Planck fut honoré par plusieurs reconnaissances, comme son élection à l’Académie royale des sciences et des lettres de Berlin en 1894 (il fut même le secrétaire perpétuel de son comité de physique en 1912). En 1913, il fut recteur de l’Université de Berlin. À partir de 1930, il fut le président de la très influente Kaiser-Wilhelm Gesellschaft (Institut Empereur Guillaume) qui a été renommée après la Seconde Guerre mondiale (le 11 novembre 1946) Max-Planck Gesellschaft (Institut Max-Planck), qui est une importante institution de recherche en Allemagne, qui, en 2016, regroupe quatre-vingt-six instituts de recherche fondamentale (il faut imaginer une sorte de CNRS, certes multidisciplinaire mais uniquement pour les sciences "dures").

Ses responsabilités universitaires illustrent la vocation très pédagogique de Max Planck, celle de transmettre aux étudiants. Il a d’ailleurs dirigé la thèse de deux futurs Prix Nobel de Physique, notamment Max von Laue (soutenance en 1903), connu pour la diffraction des rayons X par les cristaux, ce qui permet de déterminer la structure cristallographique des matériaux (avec les rayons Laue).

Max Planck a également pris le temps de rédiger des manuels de physique de manière claire et didactique qui sont des références pédagogiques : "Le Principe de conservation de l’énergie" (1887), "Précis de thermochimie" (1893), "Cours de thermodynamique" (1897), "Cours sur la théorie du rayonnement thermique" (1906).

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À la fin du XIXe siècle, la science physique était dans une situation presque reine : avec l’équation de Newton sur la gravitation universelle et l’équivalence force et masse fois accélération, avec les quatre équations de Maxwell pour l’électromagnétisme, les scientifiques devaient pouvoir décrire la réalité avec une précision extraordinaire, grâce à leurs équations spatiales et temporelles. La thermodynamique aussi était déjà bien développée et avec la physique statistique de Botzmann, on pouvait décrire le comportement d’un gaz. L’idée atomiste venait alors de se développer. Cela pouvait d’ailleurs donner une idée un peu hautaine de la science qui pouvait tout.

Le seul "truc" qui "clochait" à partir des années 1880, pointé du doigt par Kelvin, ce fut le rayonnement du corps noir. Un corps noir est un corps qui émet un rayonnement dont la longue d’onde ne dépend que de la température à laquelle il se trouve, c’est donc un modèle parfait. Cette longueur d’onde évolue en fonction de la température (diminue à mesure que la température monte). Autrement dit, le corps change de couleur (la longueur d’onde du rayonnement). Ainsi, le fer est rouge à 600°C puis blanc à 2 000°C. Wien a montré en 1896, que cette longueur d’onde était inversement proportionnelle à la température, et Rayleigh en 1900 que la puissance dissipée par le rayonnement était proportionnelle à la température et inversement proportionnelle au carré de la longueur d’onde.

Le problème, c’était que lorsque la température était supérieure à 5 000 K, autrement dit, que la longueur d’onde correspondait au bleu et en dessous, dans le domaine de l’ultraviolet (énergie élevée), la loi de Rayleigh-Jeans n’était plus valable. Ce que Paul Ehrenfest a appelé la « catastrophe ultraviolette » dans le joli langage des physiciens et que Kelvin a qualifié le 27 avril 1900 d’être l’un des « deux petits nuages dans le ciel serein de la physique théorique » (n’imaginant pas un instant que ces petits nuages fussent à l’origine de la bouleversante et irréversible tempête quantique !).

En clair, la physique de l’époque (dite physique classique) était impeccablement bien huilée, tout fonctionnait, sauf ce petit truc de rien du tout qui n’allait pas. Genre, un fil qu’il fallait tirer pour savoir où il menait. Max Planck a fait partie de ces physiciens qui ont voulu tirer ce fil. Et cela a déclenché une véritable révolution scientifique.

La découverte théorique de Planck date de l’année 1900. Ses travaux ont été présentés à Berlin lors de séminaires scientifiques le 19 octobre 1900 et le 14 décembre 1900 à la Société allemande de physique et ils furent publiés dans les Annalen der Physik, vol. 4, 1901, p. 553, avec la date du 7 janvier 1901 sous le titre : "On the Law of the Energy Distribution in the Normal Spectrum" ("Über das Gesetz der Energieverteilung im Normalspectrum").

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Pour éviter la catastrophe ultraviolette, il fallait modifier la loi de Rayleigh-Jeans qui est basée sur la thermodynamique de l’époque. Max Planck a donc cherché à proposer une autre théorie que la thermodynamique. Il a formulé la loi de Planck de manière empirique, pour que ça "marchât". Tout reposait sur un postulat, que la nature était discontinue. C’était un élément fondamental et révolutionnaire.

Les énergies émises ou absorbées par le photon sont ainsi considérées comme des multiples d’une énergie minimale que Max Planck a exprimé le 14 décembre 1900 de manière simple : E = h n, c’est-à-dire que cette énergie est proportionnelle à la fréquence. En d’autres termes, que le h est une constante, qui s’appela constante de Planck et qui fut, par la suite, l’une des valeurs fondamentales de la physique moderne (sa valeur est environ 6,626x10-34 Js).

Ce furent Rutherford et Geiger qui firent les premières expériences pour confirmer l’idée théorique de Planck et évaluer expérimentalement la valeur de la charge électronique (eux avait trouvé comme valeur 4,65x10-10 esu et Planck avait calculé 4,69x10-10 esu avec sa théorie qui venait de trouver là sa première et décisive confirmation). Max Planck a raconté cette découverte lors de sa conférence du Prix Nobel le 2 juin 1920.

Cette énergie minimale est appelée "quantum" : les états d’énergie ne sont donc plus continus mais discontinus, le photon "sautant" d’un état énergétique à un autre. Cette idée particulièrement saugrenue et révolutionnaire de la discontinuité (et finalement aussi révolutionnaire que la découverte de la structure de la matière en atomes puis les atomes en protons, neutrons et électrons, les deux premiers eux-mêmes composés de quarks) est la base historique de la physique quantique.

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Planck considérait initialement cette relation comme un moyen commode et empirique pour décrire au mieux la réalité expérimentale (observée) du rayonnement d’un corps noir. Il n’était pas allé, de lui-même, jusqu’au bout de la logique en évoquant la quantification des énergies et de la matière. Ce fut Albert Einstein qui est allé dans ce sens de l’interprétation avec l’effet photoélectrique (1905), confirmant la nature corpusculaire de la lumière (le photon) en complément de sa nature ondulatoire (largement développée au XIXe siècle).

En quelques sortes, Max Planck a été le grand-père de la physique quantique. Plus grand-père que père, car il n’a pas osé, à l’époque, aller aussi loin que l’autre génération, celle des Einstein et surtout Bohr, Dirac, Heisenberg, Schrödinger, Pauli, De Broglie, Compton, etc. qui se sont engouffrés dans cette nouveauté révolutionnaire de la discontinuité de la matière. Pour faire un mauvais jeu de mots, on pourrait dire que Planck était un planqué. Il a découvert une particularité tellement formidable qu’il ne voulait pas y croire.

Grand-père aussi par l’âge, car il avait vingt et un ans de plus qu’Einstein, par exemple. Lorsque dans les années 1910 et 1920, les jeunes "physiciens quantiques" recevaient leur Prix Nobel avant même la soutenance de leur doctorat, avant leur 30-35 ans, Max Planck était déjà âgé d’une soixantaine d’années. Ce fut lui qui organisa le premier congrès Solvay en novembre 1911 qui a réuni tous les grands physiciens du monde (dont Marie Curie), congrès qui se sont perpétués.

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Musicien, Planck composa quelques morceaux de musique et joua du piano parfois accompagné du violoniste Albert Einstein. On peut imaginer ce que pouvait représenter de tels "concerts" ! La musique, moteur de la physique et surtout, des mathématiques.

Planck a tenu de nombreuses conférences sur la science mais aussi sur ses implications philosophiques, s’est opposé à la pensée d’Ernst Mach et a exprimé sa foi en un Dieu (qui ne serait pas celui des chrétiens) : « Nous devons supposer, derrière cette force, l’existence d’un Esprit conscient et intelligent. Cet Esprit est la matrice de toute matière. » (conférence sur la nature de la matière, à Florence, 1944). Il fit des conférences jusqu’en 1946 (sa dernière conférence a porté sur les faux problèmes de la science). Malgré la montée du nazisme puis la guerre, Planck est resté toujours à Berlin, parfois avec une attitude ambiguë avec le pouvoir hitlérien (il considérait que la meilleure façon de résister était de faire partie des rouages). Il tenta en vain de soutenir ses collègues physiciens juifs (Einstein s’exila à Princeton).

Son quatrième enfant Erwin Planck (1893-1945) fut un homme très influence de la République de Weimar entre les deux guerres, ami de Kurt von Schleicher, il fut Secrétaire d’État du gouvernement de Franz von Papen en 1932. Résistant contre le régime nazi, il fut pendu le 23 janvier 1945 pour avoir été impliqué dans le complot contre Hitler lors de l’attentat du 20 juillet 1944.

Réfugié à Göttingen avec sa famille pour se protéger des bombardements alliés, Max Planck, quant à lui, est mort le 4 octobre 1947 à l’âge de 89 ans.


Aussi sur le blog.

Sylvain Rakotoarison (21 avril 2018)
http://www.rakotoarison.eu


Pour aller plus loin :
Document à télécharger : sa publication du 7 janvier 1901, "On the Law of the Energy Distribution in the Normal Spectum", qui fit naître la physique quantique.
Max Planck.
Stéphane Hawking.
Georg Cantor.
Jean d’Alembert.
David Bohm.
Marie Curie.
Jacques Friedel.
Albert Einstein.
La relativité générale.
Bernard d’Espagnat.
Niels Bohr.
Paul Dirac.
Olivier Costa de Beauregard.
Alain Aspect.

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http://rakotoarison.over-blog.com/article-sr-20180423-max-planck.html

https://www.agoravox.fr/actualites/technologies/article/max-planck-evite-la-catastrophe-203627

http://rakotoarison.canalblog.com/archives/2018/04/21/36338573.html


 

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6 janvier 2018 6 06 /01 /janvier /2018 01:40

« L’essence des mathématiques, c’est précisément leur liberté. ».


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Il y a un siècle, le 6 janvier 1918, est mort d’une crise cardiaque à l’âge de 72 ans le grand mathématicien allemand Georg Cantor. Même s’il fut reconnu de son vivant comme le fondateur de la théorie des ensembles, ses dernières décennies de vie ne furent pas vraiment la gloire : il est mort dans la pauvreté, dans un hôpital psychiatrique, à Halle où il vivait, en Allemagne, soigné pour une dépression voire pour des troubles bipolaires qu’il a développés à partir de 1884.

C’est vrai qu’il fallait être un peu fou pour proposer ce qu’il a proposé : jouer avec les ensembles, jouer avec l’infini et même, avec les infinis, parler d’infinité d’infinis. Au moins, il fallait avoir une forte intuition et une idée de l’harmonie qu’il développa en jouant très bien du violon (son grand-père maternel fut un violoniste réputé et soliste dans un orchestre impérial russe). En 1896, il disait notamment : « Pour la première fois, grâce à moi, la philosophie chrétienne disposera de la vraie théorie de l’infini. La plus haute perfection de Dieu est la possibilité de créer un ensemble infini et son immense bonté conduit à le créer. ».

Cité en 1990 par Yehuda Rav (du Département de mathématique de l’Université de Paris-Orsay) dans la "Revue d’histoire des sciences" (tome 43, n°2-3) à propos d’une biographie réalisée par Walter Purkert et Hans-Joaquim Ilgauds, le mathématicien allemand Ernst Zermelo (1871-1953), qui compléta la théorie des ensembles, a écrit en 1932 : « Il est rare, dans l’histoire des sciences, qu’une discipline scientifique tout entière, d’une importance fondamentale, soit le produit du travail d’une seule personne. C’est le cas de la création de la théorie des ensembles par Georg Cantor. ».

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Né le 4 mars 1845 à Saint-Pétersbourg dans une famille aisée et cultivée (un père danois luthérien, probablement d’origine hispano-portugaise, qui a fait fortune et une mère autrichienne, Maria Böhm, catholique qui s’est convertie), Georg Cantor s’installa en Allemagne en 1856 (à cause de son père malade qui avait besoin d’un climat plus clément), à Wiesbaden puis Francfort. Bon élève et excellent en mathématiques, Cantor fit ses études d’abord à l’École polytechnique de Zurich, puis à Berlin et aussi un été à Göttingen. À Berlin, ses professeurs avaient notamment pour nom Karl Weierstrass (1815-1897), Ernst Kummer (1810-1893) et Leopold Kronecker (1823-1891), ce dernier fut l’un de ses contradicteurs les plus acharnés, au point de tout faire pour lui bloquer sa carrière universitaire.

Cantor a soutenu en 1867 sa thèse de doctorat à l’Université de Berlin sur la théorie des nombres et les solutions des équations du second degré ("De aequationibus secundi gradus indeterminatis"). Après avoir "galéré" pendant quelques années (comme de nombreux jeunes docteurs de nos jours), Cantor a obtenu un poste à l’Université de Halle en 1869 et ce fut là qu’il s’est définitivement établi (il y enseigna jusqu’en 1914). Malgré sa nomination comme professeur d’université à l’âge de 34 ans (en 1879), il n’a cependant pas eu la carrière qu’il souhaitait car il voulait enseigner dans de plus prestigieuses universités comme Berlin et Göttingen. Parmi ses amis, on peut citer les mathématiciens Hermann Amandus Schwarz (1843-1921) qu’il a connu à Berlin et qui diffusa les idées de Weierstrass en Europe, Richard Dedeking (1831-1916), proche de Kummer, avec qui Cantor a eu une longue et fructueuse correspondance entre 1872 et 1889, également Gösta Mittalg-Leffler (1846-1927).

Les premiers travaux de Cantor ont porté sur l’unicité du développement des fonctions périodiques en séries de Fourier, qu’il a résolue en 1869. C’était un problème sur lequel avaient buté notamment Johann Dirichlet (1795-1859), Bernhard Riemann (1826-1866), et Edouard Heine (1821-1881) qui conseilla à Cantor de se tourner vers l’analyse après sa thèse.

Ce problème l’amena vers la notion d’ensemble infini et d’infini. Il publia ses travaux principalement sous forme d’une dizaine de publications entre 1874 et 1877 dans la prestigieuse revue scientifique de mathématiques, le Journal de Crelle (exactement : "Journal für die reine und angewandte Mathematik" fondé en 1826 à Berlin par le mathématicien August Leopold Crelle) et de six publications entre 1879 et 1884 dans "Mathematische Annalen". Trois autres importants articles furent publiés entre 1891 et 1897.

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Parmi ses conclusions, l’ensemble des nombres entiers naturels et l’ensemble des nombres rationnels sont dénombrables mais l’ensemble des nombres réels n’est pas dénombrable. Il démontra ainsi plusieurs niveaux d’infini, que l’ensemble des nombres réels contenait plus d’éléments que l’ensemble des nombres entiers naturels.

En définissant une bijection entre tous les éléments de deux ensembles, il pouvait prouver que ces deux ensembles avaient le même cardinal (c’est-à-dire, le même nombre d’éléments, bien qu’il soit infini). Pire, en définissant une bijection entre une droite réelle et une surface, il démontra qu’il y avait autant de points sur un segment de droite que dans un carré ! (Galilée avait déjà remarqué qu’il y avait autant de carrés de nombres entiers naturels que de nombres entiers naturels eux-mêmes). Pareil pour un cube, un hypercube, etc. Cantor a écrit ainsi à Dedeking : « Je le vois, mais je ne le crois pas. ».

Cantor proposa le "théorème de Cantor" qui s’énonce ainsi : "le cardinal d’un ensemble E est toujours strictement inférieur au cardinal de l’ensemble de ses parties P(E), c’est-à-dire qu’il n’existe pas de bijection entre E et P(E)". Cantor l’a démontré en 1891 avec une astuce, l’argument diagonal. Ce théorème peut aussi s’imager avec le paradoxe suivant : « Soit un cahier comportant autant de pages que l’on veut. On numérote chaque page, et, sur chacune d’entre elles, on écrit un ensemble d’entiers (tous différents), de telle sorte à ne jamais écrire deux fois le même ensemble. On dit qu’un nombre N est ordinaire si l’ensemble écrit à la page N ne contient pas N ; dans le cas contraire, on dit que N est extraordinaire. Supposons que l’on ait écrit sur ce cahier tous les ensembles possibles. La question est : à quelle catégorie appartient l’entier sur la page duquel on a écrit l’ensemble des nombres ordinaires ? ».

Le site Wikipédia décrit ainsi une conséquence de ce théorème combiné avec d’autres axiomes : « Ce théorème implique qu’il existe une hiérarchie infinie d’ensembles infinis en termes de cardinalité. ». De quoi devenir un peu fou !

Le site Futura Science, quant à lui, fait le lien entre la conception paradoxale de l’infini de Cantor et le fameux paradoxe du menteur. Quand une personne dit : "Je mens", soit elle dit la vérité et alors, elle ment, donc elle ne dit pas la vérité ; soit elle ment et alors, elle ne dit pas la vérité, donc elle ne ment pas. Les deux cas sont absurdes. L’introduction de l’infini peut éviter l’autoréférencement : on prend une infinité de personnes dans un ordre donné, et chacune d’elles dit : "Au moins une personne derrière moi ment". Ce qui aboutit à la situation également paradoxale suivante. Derrière toute personne qui dit la vérité, il y a au moins un menteur, et derrière un menteur, il n’y a que des personnes qui disent la vérité. Ce qui est impossible et absurde car tout menteur doit n’être suivi que de personnes qui disent la vérité (selon l’affirmation initiale).

Voici une vidéo assez courte (avec sous-titres en français) du Dr. James Grime qui explique les différents niveaux d’infinis selon Cantor (vidéo qui a reçu plus de 5,4 millions de visiteurs en cinq ans).





Ceux qui ont plus de temps peuvent écouter l’exposé du mathématicien anglais Raymond Flood, professeur de géométrie au Gresham College de Londres, en mars 2015.





Ce fut cette capacité à concevoir, distinguer, nuancer les infinis qui suscita une très forte opposition d’un de ses enseignants et ancien mentor, Kronecker qui fit tout son possible, lui le réputé universitaire en charge des mathématiques à Berlin, pour que Cantor ne fût jamais nommé parmi ses collègues à l’Université de Berlin. Cantor n’était cependant pas rancunier car il se réconcilia avec Kronecker et lorsqu’il fut élu en 1890 à Halle à la présidence de l’Association des mathématiciens allemands (DMV, Deutsche Mathematiker-Vereinigung) qu’il a fondée (il fut son premier président de 1890 à 1893, ce qui montra son importance et son prestige ; cet organisme remet depuis 1990 la Médaille Georg-Cantor), il a proposé à Kronecker de participer à la première rencontre en septembre 1891 mais ce dernier y a renoncé pour rester auprès de son épouse mourante à la suite d’une suite d’une chute en escalade.

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Cantor se démena pour structurer les communications entre mathématiciens, tant au sein de l’empire allemand qu’au niveau international. En 1897, il participa au premier congrès international des mathématiciens à Zurich. Certains orateurs y ont fait l’éloge de sa théorie des ensembles et sa reconnaissance internationale a grandi quelques années plus tard. Malgré son état dépressif, Cantor fit une communication sur les paradoxes de la théorie des ensembles lors d’une rencontre de la DMV en septembre 1903 et fut présent au congrès international des mathématiciens à Heidelberg en août 1904.

À partir de sa première dépression au printemps 1884 dont il se remit assez vite (son état dépressif a empiré lors de la mort d’un de ses six enfants, le plus jeune de ses fils, le 16 décembre 1899), Cantor préféra enseigner la philosophie aux mathématiques (à part un cours en 1885, il semblerait qu’il n’ait jamais enseigné lui-même la théorie des ensembles), voyant dans ses travaux sur l’infini, sur les nombres transfinis, et sur la théorie des ensembles beaucoup matières à "philosopher".

De plus, il perdit confiance en ses capacités à produire encore des travaux mathématiques pertinents. Cantor a eu aussi une correspondance entre 1886 et 1901 avec son ami Edmund Husserl (1859-1938), père de la phénoménologie, qu’il a connu comme collègue à Halle au début de la carrière de Husserl (qui préparait alors un doctorat de mathématiques dirigé par un élève de Weierstrass). Invité au 500e anniversaire de la création de l’Université de St Andrews, en Écosse, en septembre 1911, Cantor fit le trajet jusqu’à Londres puis repartit en Allemagne à cause de sa mauvaise santé et de celle d’un de ses enfants. Il n’a donc pas pu rencontrer le mathématicien et philosophe britannique Bertrand Russell (1872-1970) avec qui il aurait voulu parler à propos de son récent "Principia Mathematica" (publié en 1910). Russell avait été beaucoup influencé par les travaux de Cantor.

Dépassant très largement le cadre des mathématiques et même de  la philosophie, Cantor participa à la vie intellectuelle du moment, correspondant avec le pape Léon XIII et enquêtant pendant une quinzaine années sur la polémique qui attribuait des œuvres de Shakespeare à Francis Bacon (1561-1626). Il portait aussi un grand intérêt aux débats sur la physique théorique et à la théologie. Baptisé protestant, de mère catholique et de grands-parents paternes juifs, Cantor s’était marié à une femme juive de naissance, ce qui expliqua que leurs enfants furent persécutés par le régime nazi.

Lors du 2e congrès international des mathématiciens réuni à Paris en août 1900, le mathématicien allemand David Hilbert (1862-1943), qui a participé à la diffusion des travaux de Cantor, proposa une liste de vingt-trois problèmes mathématiques qui domineraient les mathématiques du XXe siècle, et il plaça "l’hypothèse du continu" (formulée en 1878 par Cantor) à démontrer en première place : « Tout sous-ensemble infini des réels peut être mis en bijection avec l’ensemble des entiers naturels ou avec l’ensemble des réels lui-même. ». Autrement dit, il n’existerait aucun ensemble dont le cardinal (le nombre d’éléments) soit strictement compris entre le cardinal de l’ensemble des nombres entiers naturels et le cardinal de l’ensemble des nombres réels. Le logicien américain Paul Cohen (1934-2007), qui a obtenu la Médaille Field en 1966, démontra en 1963 que l’hypothèse du continu est indécidable : la théorie des ensembles n’engendre aucune contradiction, que cette hypothèse soit vraie ou qu’elle soit fausse. Mais la recherche se poursuit encore sur ce thème.

Avec cette communication de David Hilbert, essentielle dans l’histoire des mathématiques, les travaux de Cantor furent mis au premier rang des préoccupations des mathématiciens du XXe siècle. Et cela, de son vivant.


Aussi sur le blog.

Sylvain Rakotoarison (06 janvier 2018)
http://www.rakotoarison.eu


Pour aller plus loin :
Georg Cantor.
Jean d’Alembert.
David Bohm.
Marie Curie.

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http://rakotoarison.over-blog.com/article-sr-20180106-georg-cantor.html

https://www.agoravox.fr/actualites/technologies/article/georg-cantor-une-certaine-idee-de-200330

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7 novembre 2017 2 07 /11 /novembre /2017 00:42

« La vie n’est facile pour aucun de nous. Mais quoi, il faut avoir de la persévérance, et surtout, de la confiance en soi. Il faut croire que l’on est doué pour quelque chose, et cette chose, il faut l’atteindre coûte que coûte. » (Citée par sa fille Ève dans sa biographie "Madame Curie", éd. Gallimard, 1938).


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Ce mardi 7 novembre 2017 marque le centenaire de la Révolution dite d’Octobre. C’est aussi un autre anniversaire intéressant : il y a cent cinquante ans, le 7 novembre 1867, est née à Varsovie celle qui fut connue sous le nom de Marie Curie. En France et même dans le monde, Marie Curie est un véritable "monument" national (qui, soit dit en passant, démontre une fois encore l’intérêt de l’enrichissement de la communauté nationale par l’immigration). Elle est même devenue un symbole non seulement de la science "française" (je mets entre guillemets car le concept de nationalisme scientifique est très scabreux, la science est par essence mondiale car avant tout humaine), mais aussi de la "femme française" (histoire que les Français se décomplexent un peu du retard historique de la considération des femmes dans les sciences et en politique).

Tout Français a nécessairement déjà entendu parler de Marie Curie tant elle est devenue une sorte d’héroïne nationale. De manière justifiée. Le tort, sans doute, c’est qu’elle ne fut pas la seule, mais les autres ont eu moins de notoriété. Son nom est souvent associé à celui de son époux et collègue chercheur à l’université, Pierre Curie.

L’appellation "Pierre-et-Marie-Curie" fait partie de la douzaine d’appellations les plus fréquentes pour un des 67 000 établissements scolaires en France (aux côtés de "Jules-Ferry", "Victor-Hugo", "Jean-Jaurès", "Jacques-Prévert", "Louis-Pasteur", ou de noms religieux, comme "Notre-Dame", "Sainte-Marie", "Saint-Joseph", "Jeanne-d’Arc", etc.). En Pologne aussi, d’où elle fut originaire, elle a une forte notoriété. Mais la plus grande reconnaissance, c’est d’avoir laissé son nom et celui de son époux à l’Université Paris-6, qui est considérée comme la meilleure université française selon les critères du classement de Shanghai. Une promotion porte aussi le nom de Marie Curie à l’ENA (École Nationale d’administration), celle de 2012.

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Née alors dans ce qui était l’Empire russe, avec une politique de russification de ce qu’est aujourd’hui la Pologne, d’un père professeur de mathématiques et de physique, Marie Sklodowka fit de brillantes études malgré le traumatisme de la mort d’une sœur et de sa mère. Elle profita du départ de sa sœur aînée qui allait faire des études de médecine en France pour l’accompagner et y suivre des études scientifiques à Paris avec le projet de revenir en Pologne.

L’annuaire statistique de la France de 1895 (volume 16), cité par Wikipédia, indique qu’en janvier 1895, à la Faculté des sciences de Paris, il y avait 27 femmes sur 776 étudiants. Elle-même y était étudiante depuis le 3 novembre 1891. Parmi ses professeurs, elle a eu Paul Painlevé (1863-1933) et Marcel Brillouin (1854-1948). Ses résultats brillants lui ont permis d’obtenir des bourses et de pouvoir rester séjourner en France : reçue première en licence de physique en juillet 1893, et reçue deuxième en licence de mathématiques en juillet 1894.

À partir de 1894, "hébergée" (professionnellement) par l’un de ses professeurs, Gabriel Lippmann (1845-1921), futur Prix Nobel de Physique en 1908 pour ses travaux sur les interférences et leurs applications à la photographie en couleurs, elle commença à travailler sur les propriétés magnétiques des aciers. Elle fut amenée à travailler avec Pierre Curie qui travaillait aussi sur le magnétisme (le ferromagnétisme et le paramagnétisme) et sur la piézoélectricité de plusieurs systèmes cristallins (effet mutuel d’une contrainte mécanique et d’un champ électrique sur un matériau) et qui venait de soutenir sa thèse de doctorat.

Pendant un an, la collaboration se passa très bien. Mais comme prévu, Marie Sklodowka retourna en Pologne pour rejoindre sa famille et enseigner les sciences (c’était son objectif lorsqu’elle alla en France : rentrer en Pologne une fois formée). Pierre Curie lui demanda de revenir en France. Ils se marièrent le 26 juillet 1895 à Sceaux et continuèrent à travailler ensemble. Lorsque leur fille Irène est née le 12 septembre 1897, Marie Curie avait alors presque 30 ans. Quant à Pierre Curie, né le 15 mai 1859, il avait 38 ans.

Reçue première à l’agrégation de mathématiques en 1896, Marie Curie laissa de côté son poste d’enseignante et préféra préparer son doctorat de physique en consacrant ses travaux de recherche aux "nouveaux" rayonnements découverts par Henri Becquerel (1852-1908) et produits par l’uranium (on les appelait alors les rayonnements "uraniques"). Dans ses expériences, elle a pu mesurer certaines grandeurs grâce à l’instrumentation qu’avait conçue son mari (basée sur l’effet piézoélectrique). Son laboratoire était assez isolé et assez sobre, avec très peu de moyens matériels : « Ce laboratoire tenait à la fois de l’étable et du hangar à pommes de terre. Si je n’y avais pas vu des appareils de chimie, j’aurais cru que l’on se moquait de moi. », avoua plus tard l’Allemand Wilhelm Ostwald (1853-1932), futur Prix Nobel de Chimie en 1909 pour ses travaux sur la catalyse.

L’un des objectifs fut de pouvoir caractériser les échantillons de matériaux sur leur capacité à ioniser l’air. Elle a ainsi pu démontrer que ces rayonnements "uraniques" étaient également produits par d’autres matériaux que l’uranium, et qu’ils étaient intrinsèques (ne dépendant pas d’autres considérations physicio-chimiques sur le matériau). Gabriel Lippmann, le directeur du laboratoire qui supervisait ces travaux, présenta cette découverte de la radioactivité (la nouvelle appellation) le 12 avril 1898 à l’Académie des Sciences. Cette date fut marquante dans l’histoire des sciences.

À partir de 1898, Pierre Curie se consacra aussi à cette découverte de la radioactivité (alors qu’avant, il n’avait participé à ces travaux que sur l’aspect caractérisation, en utilisant l’effet piézoélectrique). La petite équipe (le couple et un autre chercheur un peu plus tard) caractérisèrent de nombreux échantillons de minerais radioactifs pour rechercher les éléments radioactifs en cause.

Cela a abouti à l’isolement de deux nouveaux éléments atomiques (du tableau périodique), le polonium (annoncé le 18 juillet 1898) et le radium (annoncé le 27 décembre 1898). Le nom du "polonium" provient du pays d’origine de Marie Curie, montrant son très grand attachement à sa terre natale (qu’elle fit visiter régulièrement à ses deux filles, Irène et Ève qui est née le 6 décembre 1903). Inutile de préciser que la séparation de ces deux éléments (polonium et radium), beaucoup plus radioactifs que l’uranium, fut procédée d’une manière très dangereuse dans un "hangar" près du laboratoire, sans aucune protection...

Si les travaux des époux Curie étaient connus depuis 1898, l’année 1903 fut l’année de leur consécration. Double consécration. D’une part, une consécration universitaire, Marie Curie a soutenu sa thèse de doctorat en physique le 25 juin 1903 à Paris en présentant ses "Recherches sur les substances radioactives". D’autre part, une consécration internationale prestigieuse, Pierre et Marie Curie reçurent le 19 décembre 1903 le Prix Nobel de Physique pour la découverte de la radioactivité, en partage avec Henri Becquerel.

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Marie Curie avait alors 36 ans. Cette triple récompense du Prix Nobel 1903 fut justifiée : Henri Becquerel avait "déniché" un nouveau rayonnement, Marie Curie l’avait analysé, expliqué, compris, et son mari l’avait aidée à le comprendre (par des instruments de caractérisation). Néanmoins, on pourrait imaginer que si Marie Curie n’avait pas choisi de faire d’investigation dans ce domaine, il n’y aurait pas eu de connaissances dans ce domaine à court (ou moyen) terme (à plus long terme, il aurait été en revanche sûr qu’un jour ou l’autre, un autre physicien aurait eu la même curiosité d’en savoir plus).

Notons que Marie Curie fut ainsi la première femme à être récompensée d’un Prix Nobel (qui venait d’être institué quelques années auparavant). À l’origine, elle n’aurait même pas dû figurer dans la liste des candidats lauréats, "oubliée" par l’Académie française des Sciences (ce qui aurait été profondément injuste). Pierre Curie, au courant de cet oubli par une indiscrétion inopinée, a fait pression pour que le nom de son épouse y figurât.

Cette récompense fut à l’origine de la notoriété des époux Curie et aussi de celle de la radioactivité. Alors qu’il avait un poste dans la future École Supérieure de Physique et de Chimie industrielle de Paris (ESPCI Paris, dit Physique-Chimie), Pierre Curie fut nommé professeur de physique à la Faculté des sciences de Paris en octobre 1904. Marie Curie fut nommée aussi auprès de lui en novembre 1904 et fut chargée de construire un nouveau laboratoire mieux équipé.

Le couple avait donc la reconnaissance scientifique et académique, des financements pour poursuivre leurs travaux : tout était donc bien dans le meilleur de mondes pour développer leurs recherches. Un événement tragique pourtant allait contrarier cet enthousiasme.

Le 19 avril 1906, après une réunion avec les physiciens Jean Perrin (1870-1942), futur Prix Nobel de Physique en 1926, et Paul Langevin (1872-1946), Pierre Curie alla corriger un article scientifique qu’il devait publier dans une revue scientifique. En traversant la rue Dauphine, à Paris, il tomba sur le sol mouillé et fut alors renversé et tué par une hippomobile, à l’âge de 46 ans. Au-delà de sa contribution à la découverte et à la compréhension de la radioactivité, Pierre Curie fut un acteur majeur de la physique moderne par ses travaux sur le magnétisme et sur la piézoélectricité qu'il a découverte en 1880 avec son frère Jacques Curie (1855-1941), sous la direction du chimiste Charles Friedel (1832-1899), fondateur de l'École Nationales Supérieure de Chimie de Paris en 1896, et arrière-grand-père du physicien Jacques Friedel (1921-2014).

En effet, Pierre Curie, qui avait soutenu sa thèse de doctorat en physique le 6 mars 1895 sur les propriétés magnétiques des matériaux (il proposa la "loi de Curie" avec sa fameuse "température de Curie" à partir de laquelle un matériau ferromagnétique perd son aimantation permanente et devient paramagnétique ; il avait mesuré la courbe de susceptibilité magnétique en fonction de la température de plusieurs matériaux, et la température de Curie correspond à un changement de phase magnétique, caractéristique intrinsèque du matériau), fut, comme Pierre-Gilles de Gennes (1932-2007), Prix Nobel de Physique en 1991 et directeur de l’ESPCI Paris de 1976 à 2003, un descendant direct du mathématicien et physicien bâlois Jean Bernoulli (1667-1748) et du grand industriel de Mulhouse Jean-Henri Dollfus (1724-1802), le petit-fils de ce dernier.

Cette mort prématurée provoqua évidemment un véritable traumatisme pour son épouse, 38 ans, mère de deux enfants en bas âge (8 ans et 2 ans). Mais elle a permis à prendre officiellement la "direction" des recherches alors que jusqu’alors, c’était son mari qui était véritablement honoré à l’université. Dès le 1er mai 1906, elle remplaça son mari dans l’enseignement, première femme à enseigner à la Sorbonne, et son premier cours à la rentrée universitaire suivante, le 5 novembre 1906, fut suivi par de nombreux journalistes. Elle était une star des médias. Elle fut nommée formellement professeur de physique générale et de radioactivité le 16 novembre 1908. Elle échoua à se faire élire à l’Académie française des Sciences en 1910 (face à Édouard Branly, inventeur de la radio) probablement parce qu’elle était une femme.

Considérée comme l’une des scientifiques les plus importantes du monde, elle participa aux fameux Congrès Solvay regroupant toute l’élite scientifique mondiale à l’initiative de l’industriel et chimiste belge Ernest Solvay (1838-1922). Ainsi, au premier Congrès Solvay, du 30 octobre au 3 novembre 1911 à Bruxelles, sur le thème de la théorie de la radiation et des quanta, présidé par Hendrik Lorentz (1853-1928), Prix Nobel de Physique en 1902, Marie Curie, seule femme, se retrouva assise aux côtés de prestigieux physiciens comme Albert Einstein, Jean Perrin, Marcel Brillouin, Wilhelm Wien, Henri Poincaré, Max Planck, Maurice de Broglie (frère de Louis de Broglie), Ernest Rutherford, Édouard Herzen, Arnold Sommerfeld et Paul Langevin.

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Le 10 décembre 1911, elle a reçu un second Prix Nobel, de Chimie cette fois-ci, pour ses travaux sur la découverte du polonium et du radium. Ce fut la seule personne à avoir reçu deux Prix Nobel de disciplines scientifiques différentes.

Le grand laboratoire, qu’elle a conçu (l’Institut du Radium) et qui fut plus tard appelé "Institut Curie", fut décidé en 1909 et mis en service en 1914, juste avant la guerre. Il comprenait deux sections, une directement dirigée par Marie Curie sur les effets physiques et chimiques de la radioactivité et une autre sous la direction de l’Institut Pasteur pour les effets médicaux et biologiques de la radioactivité. Ce fut au siège de ce laboratoire, rue d’Ulm à Paris, que le Président François Hollande a choisi de s’incliner en hommage à Marie Curie le jour de son investiture à l’Élysée le 15 mai 2012.

Ce laboratoire fut par la suite financé par des subventions publiques et des dons voire des legs. Ce fut dans ce cadre que dans les années 1920, on commença pour traiter les cancers par radiothérapie et chirurgie. De nombreux changements statutaires, des fusions etc. ont abouti à un établissement de recherche, d‘enseignement et de soins employant 3 400 personnes de haut niveau en 2013 (budget de 350 millions d’euros) soignant plus de 13 000 patients et produisant 650 publications scientifiques chaque année issues de 80 équipes de recherche comprenant 81 nationalités différentes. Il est un modèle de recherche médicale car il permet la mise en commun des expériences des chercheurs, des médecins et des patients, ce qui facilite la définition de traitements innovants basés sur la pratique et sur la théorie.

Pendant la Première Guerre mondiale, Marie Curie utilisa son institut pour former des dizaines de radiologues et créer des unités mobiles pouvant sur rendre sur le front et radiographier les blessés pour localiser avec exactitude l’endroit de la blessure par balle ou éclat d’obus. Après la guerre, elle employa, dans son institut de recherche, sa fille Irène ainsi que des dizaines de femmes.

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Hélas, la maladie prit rapidement le pas sur la grande énergie de Marie Curie consciente trop tardivement que l’exposition à la radioactivité était très nocive au corps humain. Elle a développé ainsi une leucémie qui l’emporta le 4 juillet 1934 à l’âge de 66 ans, après un séjour d’un mois dans un sanatorium savoyard.

Le Président François Mitterrand a transféré son corps ainsi que celui de Pierre Curie au Panthéon le 20 avril 1995 en présence du Président polonais Lech Walesa. Son cercueil fut placé dans une chemise en plomb pour écranter la radioactivité de son corps. Auparavant, le Président Vincent Auriol avait transféré les dépouilles des physiciens Jean Perrin et Paul Langevin au Panthéon le 17 novembre 1948. Marie Curie fut la première femme honorée au Panthéon pour son mérite personnel, la précédente femme fut Sophie Berthelot, l’épouse du chimiste Marcellin Berthelot (1827-1907) pour ne pas être séparé. Les époux Veil suivront probablement les époux Curie dans un futur proche.

La plus jeune fille de Pierre et Marie Curie, Ève Curie, fut une écrivaine, journaliste et diplomate. Elle publia la biographie de sa mère qui connut un grand succès mondial dès 1938. Résistante, elle se maria en 1954 avec l’ambassadeur américain Henry Labouisse (1904-1987) qui fut directeur exécutif de l’UNICEF de juin 1965 à décembre 1979 et qui a reçu le Prix Nobel de la Paix le 10 décembre 1965 au nom de l’UNICEF. Ève Curie est morte à l’âge de 102 ans le 22 octobre 2007 à New York.

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Irène Joliot-Curie et son mari Frédéric Joliot-Curie (depuis 1926) ont eux-mêmes pris le chemin d’une carrière scientifique et universitaire prestigieuse et ont obtenu ensemble le Prix Nobel de Chimie en 1935 pour la découverte de la radioactivité artificielle. Ils ont en effet produit les premiers radioéléments artificiels, le phosphore 30 et l’azote 13, démontrés par l’existence des positons. Marie Curie a pu connaître ces découvertes avant de mourir.

Frédéric Joliot-Curie fut professeur au Collège de France et académicien, contribua à la construction du premier cyclotron français. Il déposa (avec d’autres chercheurs) le 4 mai 1939 le brevet de la bombe nucléaire. Il fut nommé directeur général du CNRS du 20 août 1944 au 3 février 1946 et fut ensuite jusqu’au 29 avril 1950 le premier haut-commissaire du CEA, révoqué à cause de son appartenance au parti communiste et remplacé par le physicien Francis Perrin (1901-1992), fils de Jean Perrin. En 1956, il prit la succession de sa femme (disparue) à la Sorbonne et à l’Institut Curie.

Notons entre parenthèses que le physicien Francis Perrin fut un très proche de responsables politiques comme Jacques Chaban-Delmas, de Maurice Bourgès-Maunoury et Félix Gaillard, du général Pierre Gallois, du physicien Yves Rocard (père de Michel Rocard), de Pierre Guillaumat, etc., ce qui a permis aux chercheurs en physique nucléaire de développer sans contrainte la bombe nucléaire malgré les instabilités politiques de la IVe République (au point que le Général De Gaulle fut tenu informé du développement des travaux même pendant sa "traversée du désert", entre 1953 et 1958).

Irène Joliot-Curie accepta de manière symbolique d’être l’une des trois premières femmes à entrer dans un gouvernement français, celui de Léon Blum, comme Sous-secrétaire d’État à la Recherche scientifique du 4 juin 1936 au 28 septembre 1936, laissant ensuite le ministère à son ami physicien Jean Perrin. Elle initia la création du CNRS. En octobre 1938, elle a presque atteint la fission du noyau d’uranium après une réaction nucléaire en chaîne. Elle fut commissaire au CEA entre 1945 et 1951 et reprit les responsabilités de sa mère tant à la Sorbonne qu’à l’Institut Curie qu’elle implanta à Orsay avec un accélérateur de particules. À partir de 1951 et chaque année jusqu’à sa mort, elle se présenta à l’Académie française des Sciences sans succès, pour protester contre la misogynie des académiciens.

Les deux époux Joliot-Curie sont morts assez jeunes, Irène à 58 ans le 17 mars 1956 à Paris, d’une leucémie aiguë à cause de son exposition à la radioactivité du polonium, et Frédéric à 58 ans aussi, le 14 août 1958 à Paris (il est né le 19 mars 1900).

Il faut aussi évoquer le fait que les familles de Marie Curie, Jean Perrin et Paul Langevin étaient très amies et passaient chaque été des vacances communes avec leurs enfants en Bretagne (à Ploubazlanec) qui suivaient les mêmes cursus. Ces familles ont été ensuite liées par des mariages d’enfants ou de petits-enfants par la suite. De la même génération que Marie Curie, l’industriel et chimiste Eugène Schueller (1881-1957), fondateur de L’Oréal et père de Liliane Bettencourt (1922-2017), ainsi que le dirigeant communiste Marcel Cachin (1869-1958), passèrent aussi leurs vacances à Ploubazlanec.

Ainsi, la fille des époux Joliot-Curie, Hélène Langevin-Joliot, née le 19 septembre 1927 (90 ans), a épousé en 1948 le physicien Michel Langevin (1926-1985), docteur en physique nucléaire et petit-fils de Paul Langevin, et est une physicienne réputée de physique nucléaire à l’Institut de physique nucléaire d’Orsay. Un de leur enfant est Yves Langevin, né le 25 juillet 1951 (66 ans), astrophysicien spécialiste de la planète Mars et ancien directeur de l’Institut d’astrophysique spatial d’Orsay.

Quant à l’autre enfant des époux Joliot-Curie, Pierre Joliot-Curie, né le 12 mars 1932 (85 ans), il est un biologiste réputé du CNRS puis de l’École Normale Supérieure, professeur honoraire au Collège de France (chaire de bioénergétique cellulaire), membre de l’Académie française des Sciences et en 1982, lauréat de la Médaille d’or du CNRS (plus grande récompense scientifique en France).

Du côté du frère de Pierre Curie, Jacques Curie, devenu professeur de minéralogie de l'Université de Montpellier, a eu trois enfants, Évelyne qui a épousé en 1935 Jacques de Hauteclocque (1901-1979), cousin du Général Philippe Leclerc (1902-1947), Madeleine (1886-1989), qui est morte plus que centenaire, et Maurice Curie (1888-1975), physicien qui travailla avec sa tante Marie Curie sur la photoluminescence et sur le radium et qui fut professeur à la Sorbonne.

Comme on le voit, il est des familles de scientifiques comme il est des familles de politiques ou d’artistes, avec les Curie, les Perrin, les Langevin, les Debré, les Jeanneney, les Joxe, les Casadesus, les Rocard (Francis Rocard, astrophysicien réputé et petit-fils d’Yves Rocard), les Friedel, les Seigner, les Vasseur, etc.

Enfin, pour terminer et pour montrer l’importance de l’école Physique-Chimie (ESPCI Paris), voici ceux qui ont été diplômés ingénieurs de cette école avec leur date de diplôme, parmi les personnes que j’ai citées dans cet article : Paul Langevin (1891), Frédéric Joliot-Curie (1923), Hélène Langevin-Joliot (1948) et Michel Langevin (1948). Parmi ceux qui ont enseigné ou qui ont réalisé des travaux de recherche au sein de cette école, on peut citer Pierre Curie et son frère Jacques Curie, Marie Curie, Paul Langevin, Irène et Frédéric Joliot-Curie, Pierre-Gilles de Gennes et Georges Charpak (1924-2010), Prix Nobel de Physique en 1992.

Je conclus par cette réflexion essentielle de Marie Curie : « Je ne crois pas (…) que l’esprit d’aventure risque de disparaître dans notre monde. Si je vois quelque chose de vital autour de moi, c’est précisément cet esprit d’aventure, qui me paraît indéracinable et s’apparente à la curiosité. Sans la curiosité de l’esprit, que serions-nous ? Telles sont bien la beauté et la noblesse de la science : désir sans fin de repousser les frontières du savoir, de traquer les secrets de la matière et de la vie sans idée préconçue des conséquences éventuelles. » (Citée par sa fille Ève dans sa biographie "Madame Curie", éd. Gallimard, 1938).


Aussi sur le blog.

Sylvain Rakotoarison (07 novembre 2017)
http://www.rakotoarison.eu


Pour aller plus loin :
Marie Curie.
Le cinéma parlant.
Spoutnik.
Paul Painlevé.
Les petits humanoïdes de Roswell…
Jacques-Yves Cousteau.
La fécondation in vitro.
Robert Edwards.
Publications historiques pour comprendre l’expérience d’Alain Aspect (à télécharger).
Série documentaire de Brian Greene "La Magie du Cosmos" (2012).
Palais de la Découverte.
Roger Mari.
Olivier Costa de Beauregard.
Alain Aspect.
Stephen Hawking.
Trofim Lyssenko.
Rosetta, mission remplie !
Le dernier vol des navettes spatiales.
André Brahic.
Evry Schatzman.
Les embryons humains, matériau de recherche ?
Cellules souches, découverte révolutionnaire et éthique.
Ernst Mach.
Darwin vaincu ?
Jean-Marie Pelt.
Karl Popper.
Sigmung Freud.
Emmanuel Levinas.
Hannah Arendt.
Paul Ricœur.
Albert Einstein.
La relativité générale.
Bernard d’Espagnat.
Niels Bohr.
Paul Dirac.
François Jacob.
Maurice Allais.
Luc Montagnier.

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http://rakotoarison.over-blog.com/article-sr-20171107-marie-curie.html

https://www.agoravox.fr/actualites/technologies/article/marie-curie-symbole-de-l-198469

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