LES SCIENCES

Les sciences se divisent en plusieurs catégories. Voyons-les ici en allant du plus grand au plus petit, donc du plus complexe au plus simple, donc du plus fragile au plus robuste.

La sociologie

Etudie l'interaction des organismes vivants, c'est-à-dire l'ensemble des organismes vivants. Il s'agit de femmes,  d'hommes. d'animaux, chacun composé de cellules. 200 cellules différentes sont capables de décrire entièrement un être vivant.

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La biologie

Etudie la vie, les cellules.
 

Chaque organisme vivant, femme, homme, animal,  est composé de cellules. Chaque cellule est composée de molécules et chaque molécule d'atomes.

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La chimie

Etudie les molécules et les atomes.
 

Une cellule est composée de molécules, qui est un ensemble d'atomes. Par exemple, une molécule d'eau, appelée H²O, est composée de 2 atomes d'Hydrogène et d'un atome d'Oxygène.
 

La chimie classe les atomes en fonction du nombre de leurs protons selon le tableau périodique des éléments.

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La physique

Etudie l'atome (noyau contenant des protons et des neutrons autour duquel tournent des électrons en plusieurs couches superposées (niveaux d'énergie). Un atomes est très petit, de l'ordre du dix millionième de millimètre

Divisée en plusieurs catégories:

1. la physique  traditionnelle ou newtonienne

2. la relativité restreinte, la matière lorsqu'elle approche la vitesse de la lumière (Einstein)

3. la physique nucléaire, étude du noyau (protons et neutrons)

4. la physique des particules, étude des particules générées par des collisions entre elles
   
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5. La physique quantique, étude des quantas (=photons), les plus petits composants de la matière

LA PHYSIQUE TRADITIONNELLE

Un atome est formé d'un noyau composé de neutrons et de protons en quantité égale, autour duquel tournent des électrons sur plusieurs couches concentriques. Dans un atome stable, le nombre de protons, de neutrons et d'électrons est identique.

(Source: Wikipedia)

Le nombre de protons détermine le matériau selon le classement du tableau périodique des éléments. Ce tableau (tableau de Mendeleïv), a été inventé par Dmitri Ivanovitch Mendeleïev en 1869. Il classe les éléments chimiques en fonction du nombre de leurs protons. Par exemple, un atome qui a 1 proton est une atome  d'hydrogène, un atome avec 88 protons est un atome de radium, etc.

• Les électrons d'un atome tournent autour du noyau sur des orbites circulaires. Elles sont appelés niveaux ou couches d'énergie.
   

• Ces atomes-là sont stables car leurs charges électriques s'équilibrent. Les protons (charges +) équilibrent celles des électrons (charges -) et les neutrons ne jouent pas de rôle puisqu'ils sont électriquement neutres.
   

• Lorsqu'un électron passe d'une une d'énergie supérieure (plus près du noyau) à une inférieure (plus loin du noyau), il émet un photon (quanta ondulatoire de lumière) dont l'énergie correspond à la différence d'énergie entre les 2 orbites.

Par contre, ils peuvent devenir instables si le nombre de neutrons diffère de celui des protons. On parle alors d'isotopes. L''atome a toujours le même nombre de protons (donc d'électrons) et son classement chimique dans le tableau est toujours le même. Par exemple, un atome de radium restera un atome de radium. Par contre il acquérra d'autres caractéristiques dont celle de devenir radioactif  et de se désintégrer. Un atome instable se désintègre et se transforme spontanément en un autre élément en dégageant des particules (neutrons, protons, etc.) et de l'énergie sous forme de photons (lumière) et d'énergie cinétique, c'est le rayonnement ionisant. "Ionisant" car il a la particularité de modifier la matière qu'il traverse en lui enlevant des électrons .

(source: Wikipedia)

Le rayonnement se divise en 3 faisceaux qui partent dans 3 directions différentes en fonction du champ électrique ou magnétique qu'ils traversent:

• Alpha (α) corpusculaire
  Emis par un atome radioactif. C'est un flux de noyaux d'Hélium composé de 2 protons et de 2 neutrons.
  S'arrête facilement, par exemple avec une feuille de papier.
   
• Bêta (β) corpusculaire
  C'est un flux d'électrons chargé électriquement ce qui le rend dangereux.
  Les particules Bêta sont arrêtées par une simple feuille d'aluminium, de verre ou de plexiglas.
   
• Gamma (γ) ondulatoire
  C'est un rayonnement électromagnétique composé de photons à haute énergie.
  Difficile à arrêter. Il faut 6cm de plomb, 30cm de béton ou 54cm de terre.

La désintégration spontanée est d'autant plus grande que le nombre de protons de l'atome est grand. Ce phénomène a été découvert en 1896 par Henri Becquerel, Pierre et Marie Curie et Ernest Rutheford.

Par exemple, l'uranium (92 protons) se désintègre plus que le radium (88).

 
(Source Wikipedia)

• Rayon X ondulatoire
  Formé de photons (quantum de lumière ondulatoire émis lorsqu'un électron passe d'une orbite à une autre dans un atome). Utilisé pour observer à travers la matière. Protection: idem rayons Gamma.

Fig 4: Spectre des fréquences
L'oeil est un récepteur de lumière visible (fréquences: TeraHertz)

• Rayonnements ionisants
  Rayonnement de quantas d'énergie capables d'exciter des électrons des atomes, donc de les faire changer de couche d'énergie lorsqu'ils traversent de la matière. Les principaux rayonnements ionisants sont les rayons X et les Gamma. Ils sont produits par la radioactivité d'atomes, par exemple,  d'uranium ou de plutonium. Ils sont nocifs pour les êtres vivants. Fréquence: à partir de 850 THz, le début des rayons ultra-violets.
   

• Un rayonnement non ionisant
  est un rayonnement dont l'énergie électromagnétique transportée par chaque quantum est insuffisante pour ioniser des atomes ou des molécules (c'est-à-dire pour arracher complètement un électron d'un atome ou d'une molécule. Ce sont les rayonnements du proche ultraviolet, la lumière visible, l'infrarouge, les micro-ondes et les ondes radio.
   

• Isotope
  Les isotopes sont des atomes qui possèdent le même nombre d'électrons – et donc de protons, mais avec un nombre différent de neutrons. On connaît actuellement environ 325 isotopes naturels et 1200 isotopes créés artificiellement. Un isotope fissile est un élément chimique dont le noyau atomique peut subir une fission nucléaire sous l'effet d'un bombardement par des neutrons rapides. Le seul isotope fissile naturel est l'uranium 235. Un isotope est d'autant plus radioactif que sa période de demi vie est courte.
  
  
  
  
  La terre chauffe parce qu'elle contient depuis sa création des isotopes à très longues durée de vie (des milliards d'années) qui se désintègrent. D'autres isotopes sont produits par la collision de rayons cosmiques avec des atomes, par exemple le carbone 14, qu'on utilise pour les datations archéologiques. Pendant sa vie, un être vivant absorbe du carbone 14 en continu. Lorsqu'il meurt, ce carbone 14 commence à se désintégrer si bien qu'en mesurant ce qui en reste, on peut en déduire la date de sa mort. La demi-vie du carbone 14 est de 5730 ans, ce qui permet de dater jusqu'à -35'000 ans avec encore une bonne précision.
   

• Ion
  Atome (ou groupe d'atomes) chargé électriquement. Veut dire que le nombre de protons n'égale pas le nombre d'électrons. S'il y a plus d'électrons, le ion est négatif. S'il y a plus de protons, le ion est positif.

Anciennes unités: R/h, Roëntgen par heure: intensité, maintenant des Sievert

Dose en R (Roëntgen), maintenant des Gray

Voir cet article très intéressant sur le blog de mon copain le Dr Goulu:
https://www.drgoulu.com/2013/11/03/la-radioactivite-naturelle

L'uranium se trouve dans la nature sous forme d'isotopes, ce qui signifie qu'il se désintègre spontanément. C'est d'ailleurs comme cela qu'on peut le découvrir, en mesurant la radioactivité du sol au moyen d'un compteur Geiger.

J'ai dit plus haut que le phénomène de la radioactivité se produit d'autant plus que l'atome a un nombre élevé de protons. C'est la raison pour laquelle on utilise des isotopes d'uranium ou de plutonium dans les centrales et les bombes atomiques.

Mais il y a encore un autre phénomène: la réaction en chaîne. Elle se produit lorsque la quantité de matière dépasse un certain volume. A ce moment-là, il y a tellement de neutrons qui sont générés que ceux-ci cassent d'autres noyaux, ce qui en ajoute encore si bien qu'on finit par atteindre ce qu'on appelle l'accident de criticité qui est un emballement, une réaction en chaîne. Le nombre de neutrons se multiplie alors jusqu'à l'infini et le matériau chauffe et finit par fondre.

Le principe d'une centrale atomique productrice d'électricité est donc de mettre en présence des barreaux de matériaux fissiles, de l'uranium en général, de façon à ce qu'ils chauffent mais n'atteignent jamais le point de non retour de la réaction en chaîne.

Par contre c'est le phénomène qu'on veut précisément obtenir pour qu'une bombe atomique explose: une réaction en chaîne qui provoque une explosion d'autant plus grande que l'emballement est rapide.

• Le voyage fantastique des particules dans un accélérateur
  https://www.youtube.com/watch?v=kRO4pZTociI
   

• Accélérateurs de particules (1)
  https://www.youtube.com/watch?v=TauOtMT4NWk

LA PHYSIQUE QUANTIQUE

Un quantum, un photon, est le "grain" d'énergie le plus petit qui existe, il est indivisible. Il naît de l''interaction entre deux particules chargées électriquement. Par exemple, lorsqu'un électron change de niveau d'énergie (change d'orbite autour du noyau), il produit un photon, un "grain" d'énergie qui part au loin sous forme de rayonnement électromagnétique.

Son nom a donné naissance à la mécanique quantique. Cette théorie affirme que l'énergie rayonnante est discontinue, ondulatoire.

L'énergie d'un photon est la constante de Planck (h) multiplié par la fréquence de l'onde (v).

Où E = énergie en Js (Joules secondes)

h = la constante de Planck égale à 6,626 × 10⁻³⁴ J s.

v = fréquence de l'onde en Hz

Le photon n'est pas seulement un grain de lumière, comme on l'entend habituellement, mais de toutes les fréquences possibles, y compris des ondes radio. En fonction de la formule ci-dessus, un photon de rayonnement Gamma aura une énergie beaucoup plus grande que celle d'un photon lumineux puisque situé beaucoup plus haut en fréquence. Voir la Fig 4: Spectre des fréquences.

• La dualité ondes-corpuscules
  https://www.youtube.com/watch?v=iRIJLMstfx4
   

• Mécanique quantique, la mesure
  https://www.youtube.com/watch?v=v3eSu9ac7Wk

Quelques éléments de réflexion

Points quantiques

Pour la plupart des gens, le mot "points quantiques" a l’air complexe. Mais Ivan Shorubalko explique : "Les propriétés d'un matériau ne dépendent pas seulement de sa composition, mais aussi de son dimensionnement".

En d'autres termes, si l'on fabrique des particules minuscules à partir d'un matériau, elles peuvent avoir des propriétés différentes de celles de morceaux plus grands du même matériau. La raison en est les effets quantiques, d'où le nom de "points quantiques".

Dans un article publié récemment dans la revue "ACS Photonics", Ivan Shorubalko, Gökhan Kara et leurs co-chercheurs de l'Empa et de l'EPF Zurich décrivent un détecteur infrarouge plus petit que la longueur d'onde du rayonnement qu'il mesure. Cela permet aux chercheurs de détecter des propriétés supplémentaires de la lumière infrarouge, par exemple la phase ou l'interférence, ce qui rend le détecteur encore plus polyvalent.

Article complet: https://www.admin.ch/gov/fr/accueil/documentation/communiques.msg-id-103406.html

L'ORDINATEUR QUANTIQUE

Un ordinateur quantique, calculateur quantique, processeur quantique ou système informatique quantique, utilise les propriétés quantiques de la matière, telles que la superposition et l'intrication, afin d'effectuer des opérations sur des données. À la différence d'un ordinateur classique basé sur des transistors travaillant sur des données binaires (codées sur des bits, valant 0 ou 1), l'ordinateur quantique travaille sur des qubits dont l'état quantique peut posséder plusieurs valeurs, ou plus précisément une valeur quantique comportant plusieurs possibilités simultanées.

En mécanique quantique, selon le principe de superposition, un même état quantique peut posséder plusieurs valeurs pour une certaine quantité observable (spin, position, quantité de mouvement, etc.)

En mécanique quantique, l'intrication quantique, ou enchevêtrement quantique, est un phénomène dans lequel deux particules (ou groupes de particules) forment un système lié, et présentent des états quantiques dépendant l'un de l'autre quelle que soit la distance qui les sépare. Un tel état est dit « intriqué » ou « enchevêtré », parce qu'il existe des corrélations entre les propriétés physiques observées de ces particules distinctes.

L'état d'un système physique décrit tous les aspects de ce système, dans le but de prévoir les résultats des expériences que l'on peut réaliser. Le fait que la mécanique quantique soit non déterministe entraîne une différence fondamentale par rapport à la description faite en mécanique classique : alors qu'en physique classique, l'état du système détermine de manière absolue les résultats de mesure des grandeurs physiques, une telle chose est impossible en physique quantique et la connaissance de l'état permet seulement de prévoir, de façon toutefois parfaitement reproductible, les probabilités respectives des différents résultats qui peuvent être obtenus à la suite de la réduction du paquet d'onde lors de la mesure d'un système quantique. Pour cette raison, on a coutume de dire qu'un système quantique peut être dans plusieurs états à la fois. Il faut en réalité comprendre que le système est dans un état quantique unique, mais que les mesures peuvent donner plusieurs résultats différents, chaque résultat étant associé à sa probabilité d'apparaître lors de la mesure.

Le calcul quantique ne sait traiter que peu d’entrées et peu de sorties, avec autant de complexité que souhaité. Il se prête donc a priori très bien aux calculs dont la complexité réside dans la combinatoire.

Le théorème d'impossibilité du clonage quantique est un résultat de mécanique quantique qui interdit la copie à l'identique d'un état quantique inconnu et arbitraire.

Les ordinateurs quantiques sont très vulnérables aux erreurs sur les qubits, ce qui nécessite des codes correcteurs très sophistiqués ; les rayons cosmiques semblent suffisants pour créer une quantité d'erreurs telle qu'il soit impossible de toutes les corriger ce qui pourrait rendre nécessaire un important blindage pour protéger les machines.

Pour quantifier le nombre de qbits réellement utilisables, IBM a développé la notion de volume quantique qui dépend de la topologie du circuit. La racine carrée de ce volume quantique correspond au nombre de qubits effectivement utilisables de façon fiable. IBM annonçant son intention de doubler ce volume tous les ans, cela correspond à 41,4% d'augmentation du nombre de qubits utiles par an.

https://fr.wikipedia.org/wiki/Ordinateur_quantique