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Ondes périodiques : Relation entre la longueur d'onde et la période

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Ondes périodiques : Relation entre la longueur d'onde et la période

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cours - Transmettre et stocker l'information

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Cours de Chimie TS.Cinétique chimique 4.1.4.3 : Facteurs cinétiques 3ème partie : catalyse

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Regarder jusqu'à 4min45s

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Effet photoelectrique et frequence seuil

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Ch.17 I/ et II (+ questions Edpuzzle)

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T2C9 -Transferts quantiques d'énergie et dualité ondes-particules

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Transferts d''énergie entre systèmes quantiques

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Transferts d''énergie entre systèmes quantiques

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cours 2  Transfert d'énergie entre systèmes microscopiques

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Cours de Physique TS Transferts thermiques 5.2 : Convection, conduction, rayonnement.

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animation flash

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Cours et questions (EdPuzzle)

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Le cours

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Dilution

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DILUTION 🧪- Conservation de la Quantité de Matière  | Chimie | Lycée

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Conductance, conductivité molaire ionique - Physique-Chimie - TS - digiSchool

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Unité de base de mesure du temps, la seconde est un véritable métronome de notre quotidien, dont la régularité assure la bonne marche du monde. En 449 secondes, ce documentaire nous dévoile les découvertes et innovations scientifiques qui ont tenté de saisir le rythme du temps qui passe.
Aujourd'hui, plus de trois siècles après la mise en place de la méridienne de l'Observatoire de Paris, les meilleures montres à quartz perdent une seconde tous les cent jours. Mais les plus récentes recherches sur le strontium laissent espérer une évolution des horloges atomiques, qui pourraient alors battre la mesure sans faillir pendant plus de dix milliards d'années.

Identification

Procédé audiovisuel Prises de vues réelles. Utilisation d'images d'archives et d'animations 3D.
Commentaire voix off. Interventions en son direct. Musique.

Personnalités LODEWYCK Jérôme(SYRTE, UMR CNRS, Observatoire de Paris, PSL Research University et Univ. Pierre et Marie Curie); CAPITAINE Nicole(SYRTE, UMR CNRS, Observatoire de Paris, PSL Research University et Univ. Pierre et Marie Curie); DIMARCQ Noël(INP, INS CNRS)

Notes INP : Institut de physique
PSL : Paris Sciences et Lettres
SYRTE : Systèmes de référence temps-espace
Diffusé sur CNRS le journal le 02/10/2017 sous le titre "Les nouveaux maîtres du temps".

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Unité de base de mesure du temps, la seconde est un véritable métronome de notre quotidien, dont la régularité assure la bonne marche du monde. En 449 secondes, ce documentaire nous dévoile les découvertes et innovations scientifiques qui ont tenté de saisir le rythme du temps qui passe.

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Logiciel de pointage

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Logiciel de pointage

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Spectro IR : Modes de vibration

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3D Animation of Vibrations in Infrared Spectroscopy for Download | Royalty Free Content

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Quizz animation flash

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animation flash

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(quizz Animation flash)

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Nécéssite flash player (utliser internet explorer) http://scphysiques.free.fr/TS/chimieTS/Nomenclature.swf

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Vous avez 15 secondes pour déterminer la famille chimique d'un maximum de molécules.

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Activités éducatives (Test): nomenclature en chimie orga (chimie terminale s) - Test sur la nomenclature en chimie organique : - groupes fonctionnels - nom d'une molécule à partir de sa formule

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Vidéo

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Lois de Kepler (la même sans lecteur flash mais qualité très moyenne)

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Tracé du vecteur accélération

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Spectro IR

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Spectro RMN

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STAT : Afficher les caractéristiques statistiques (2) - Tutoriel TI

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Effet Doppler

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[Comment ça marche] Qu’est-ce que l’effet Doppler ?

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Mesures sur enregistrement

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La physique des lasers

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Prix Nobel de physique 2018 : la physique des lasers récompensée et un Français parmi les lauréats

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Le prestigieux prix Nobel de physique vient d'être attribué pour moitié à l'Américain Arthur Ashkin et pour l'autre moitié au Français Gérard Mourou et à la Canadienne Donna Strickland pour leurs...

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Le problème

Il y a peu, un de mes jeunes amis, élève de terminale S, m'a posé une question peu banale, du moins pour un élève de TS. Je lui ai affirmé au cours d'une discussion, de façon un peu péremptoire j'en conviens, que le photon n'avait pas de masse. Je le vis interloqué puis pensif... Il lit beaucoup de journaux de vulgarisation comme S&V Junior et me dit :" comment est-ce possible? Le photon transporte de l'énergie et en appliquant la relation d'Einstein E = mc , le photon doit avoir une masse! ".
Cette célèbre formule décore les tee-shirts et est connue dans le monde entier, mais je fus quand même surpris... J'ai tenté une réponse rapide, un peu confuse et pour tout dire qui ne m'a pas satisfaite. Et qui n'a pas convaincu mon interlocuteur. J'ai donc décidé d'étudier plus avant la question avec les éléments disponibles dans le programme de physique des 1eres S et Term S.

Les connaissances disponibles en TS

Je me suis donc penché sur les livres de cours de 1S et TS (les "Sirius" de Nathan) et j'ai cherché ce qu'ils disaient à propos des photons. Voilà mes résultats :

En première S, on apprend que le photon est le quantum d'énergie lumineuse. Il est introduit en faisant référence à la catastrophe ultraviolette et aux travaux d'Einstein sur l'effet photo-électrique. On lui attribue une énergie \( E = h\nu \), produit de la fréquence du photon et de la constante de Planck. Rien sur l'origine du terme "photon"... On y apprend aussi la relation entre \( \lambda \), la longueur d'onde d'un photon et sa fréquence \( \nu \) \( \lambda = \dfrac{c}{\nu}\).

Toujours en première S, on affirme que "la structure de la lumière est à la fois ondulatoire et corpusculaire" ! Voilà une formulation fâcheuse! Le photon n'est ni ondulatoire, ni corpusculaire: c'est un objet quantique qui possède ses caractéristiques propres, ni ondulatoires, ni corpusculaires. J'aborde ce point dans la page Dualité Onde-Corpuscule.

Le cours de TS ajoute la notion de quantité de mouvement du photon \( p = \dfrac{h\nu}{c}\). Dans le chapitre de mécanique concernant la quantité de mouvement, la définition \( p = mv \) (produit de la masse et de la vitesse) est bien sur donnée. Et il serait étonnant que pas un élève attentif au cours ne fasse le rapprochement... La vitesse d'un photon étant égale à c, on a donc \( p = mc = \dfrac{h\nu}{c} \) d'où \( m = \dfrac{h\nu}{c^2}\). Qui a dit que la masse du photon était nulle ! En passant, notons que c'est Louis de Broglie qui a proposé le premier ce calcul. On peut d'ailleurs retrouver cette formule en égalant \( E = mc^2 = h\nu \).

Enfin, il existe dans le cours de TS tout un chapitre sur la relativité restreinte, où l'on apprend que la mesure du temps dépend du référentiel de mesure. L'effet sur les distances (contraction) n'est pas abordé.J'aborde ce point dans la page sur la relativité restreinte.

Je constate que ni le cours de première, ni le cours de terminale n'aborde le sujet délicat de la masse du photon, alors qu'un élève de terminale moyennement attentif pourrait en proposer un calcul rapide ! Si, pourtant : dans l'essentiel du cours pour le chapitre "Dualité onde particule", on y affirme que "le photon est une particule de masse nulle" ! Sans aborder l'apparente contradiction...

Le cours que j'ai sous les yeux ne mentionne même pas l'origine du terme "photon", qu'on appelait "grain de lumière" du temps d'Einstein. Ce terme a été créé par Gilbert Newton Lewis en 1926... Pour être juste, mentionnons que le concept de "grain de lumière" était déjà employé par Newton, qui tenait dur comme fer à la conception corpusculaire de la lumière !

Alors, que dire à un élève attentif ou curieux qui s'interrogerait sur cette contradiction !

Des éléments de réponse

La notion de fréquence et de longueur d'onde dans la relativité restreinte

A propos du photon, le cours de physique de TS aborde la notion de fréquence et de longueur d'onde. Il aborde aussi, dans le chapitre sur la relativité, la notion de dépendance du temps (il oublie celle des distances) au référentiel de l'observateur.
Le photon est par définition une particule relativiste. Il se déplace toujours à la vitesse de la lumière. Il convient donc de se souvenir que toute mesure de temps et de distance concernant le photon relève des règles de mesure édictées par la théorie de la relativité restreinte. En bref, les notions de fréquence et de longueur d'onde d'un photon, qui font appel à un temps et à une distance, sont propres à l'observateur, dans son référentiel propre.
Cela signifie que dans deux référentiels galiléens différents, la fréquence et la longueur d'onde d'un photon peuvent être différentes (voir ce point dans "Relativité restreinte" §9.1 d'Eric Gourgoulhon, par exemple). Ainsi, on peut trouver un référentiel où la fréquence mesurée par l'observateur lié au référentiel sera arbitrairement petite..
La seule caractéristique intrinsèque du photon, invariante par changement de référentiel, est son 4-vecteur impulsion (sa quantité de mouvement dans l'espace temps de Minkowski). Sa fréquence et sa longueur d'onde ne sont pas des invariants par changement de référentiel.

Ne pas négliger les effets relativistes quand on parle de photon... Et éviter les calculs simplistes qui ne tiendraient pas compte de ces effets !

A propos de E = mc2

Disons tout de suite qu'il existe un gros malentendu dans l'esprit de la plupart des élèves de lycée et même de prépa, sans parler du grand public. La formule E = mc 2 est un cas particulier ! La formule complète d'Einstein s'écrit E 2 = m 2c 4 + p 2c 2 où p est la quantité de mouvement de la particule dont on calcule l'énergie. Pour aboutir à la formule célébrissime, et plus facile à retenir, on pose p = 0, c'est à dire qu'on considère la particule au "repos" dans le référentiel de l'observateur. Or cela pose un problème énorme concernant le photon !

La relativité restreinte postule que les lois de la physique sont les mêmes quelque soit le référentiel galiléen choisi (c'est introduit dans le chapitre sur la relativité dans le cours de TS). Et donc, La célérité de la lumière c est un invariant par changement de référentiel. Cela signifie que la vitesse d'un photon est invariante quelque soit le référentiel.

La conséquence de ce postulat, c'est qu'il n'existe aucun référentiel dans lequel on puisse considérer le photon comme étant au repos. Et donc, qu'il n'existe aucun référentiel où l'on puisse calculer l'énergie d'un photon avec la formule E = mc 2 . Chaque fois qu'on utilise cette formule pour le photon, on commet une erreur conceptuelle.

La notion de masse "au repos"

Quand on écrit la formule E = mc 2 , on considère donc une particule de vitesse nulle dans le référentiel galiléen de l'observateur. Je rappelle qu'il ne peut s'agir d'un photon, mais d'un atome, d'un électron ou autre. La valeur "m" est souvent dénommée "masse au repos" ou encore, plus justement "masse propre". C'est la masse de la particule lorsque celle-ci est au repos (vitesse nulle) dans le référentiel de l'observateur.

Voyons maintenant ce que cela donne concernant le photon. Reprenons l'équation \( E^2 = m^2c^4 + p^2c^2 \) et égalons l'énergie à son autre expression \( E = h\nu \). On obtient:
\( h\nu = \sqrt{m^2c^4 + p^2c^2} \)
Comme vu plus haut, il est possible de trouver un référentiel dans lequel la fréquence est aussi petite que l'on veut et même qui tende vers 0, ce qui nous donne \( \sqrt{m^2c^4 + p^2c^2} = 0 \). La nullité du radicande n'est possible que si les deux termes sont nuls, c'est à dire si la masse m du photon est nulle. Ceci nous conduit à une nouvelle formulation de l'énergie d'un photon, plus rigoureuse \( E = pc \), où p est la quantité de mouvement (ou l'impulsion) du photon.
Une dernière remarque dans le cas du photon : on pourrait être tenté d'écrire la quantité de mouvement du photon en appliquant la transformée de Lorentz \( p = \dfrac{1}{\sqrt{1 - \left(\dfrac{v}{c}\right)^2}}mv\), ce qui n'aurait aucun sens... En effet, pour le photon v=c et donc \( \dfrac{1}{\sqrt{1 - \left(\dfrac{v}{c}\right)^2}} \) tendrait vers l'infini ! Le photon est une particule bien à part décidément !

Le photon et l'attraction gravitationnelle

Autre point souvent cité par les élèves curieux : " le photon a une masse parce que l'attraction gravitationnelle a un effet sur lui : une étoile massive dévie la lumière".
En effet, la lumière est bien déviée par une étoile ou une galaxie massive, c'est l'effet de lentille gravitationnelle. Mais cet effet n'a rien à voir avec l'attraction gravitationnelle que connaissent les élèves de lycée, c'est à dire celle de Newton. L'étoile ou la galaxie n'exerce pas une attraction gravitationnelle sur les photons !
En physique classique, on affirme que la lumière se déplace en ligne droite. C'est vrai lorsque le flux de photons est loin d'une masse ! En fait, les photons se déplacent le long d'une courbe qu'on appelle une "géodésique de genre lumière", ou "géodésique lumière". C'est une courbe dans l'espace temps de Minkowski. Et comme vous l'avez sans doute entendu dire ou lu, une masse déforme cet espace temps, et déforme aussi la géodésique, qui n'est alors plus une droite.
Si la trajectoire d'un photon est déviée par une étoile, ce n'est pas parce que l'étoile attire le photon, mais parce l'espace temps autour de l'étoile est déformé. C'est un des apports majeurs de la relativité générale, démontré expérimentalement avec une grande précision.

Le photon possède très probablement une masse nulle

La relativité restreinte impose une masse nulle pour les photons. Les vérifications expérimentales de cette théorie sont particulièrement convaincantes. Ce n'est pas un argument déterminant pour affirmer que la masse du photon est nulle, seule l'expérience est vraiment déterminante, mais disons que c'est un argument convaincant....

L'électrodynamique quantique, c'est à dire la théorie des électrons relativistes, impose une masse nulle aux photons (une histoire d'invariance de jauge...). Or cette théorie est l'une des mieux vérifiées de la physique moderne.

Enfin, le modèle standard des particules, renforcé par la découverte du boson de Higgs, stipule lui aussi que le photon est de masse nulle.

Tout ça fait qu'aujourd'hui, la majorité des physiciens admet que la masse du photon est nulle. La preuve expérimentale n'existe pas encore, mais c'est très très probable...

Que dit l'expérience

La physique est une science expérimentale. Si l'on affirme, pour des raisons de cohérence théorique que la masse du photon est nulle, il doit être possible de le montrer expérimentalement...

Et bien, ce n'est pas si simple que ça ! Comment déterminer la masse d'un photon ?

Curieusement, toutes les expériences de détermination de la masse du photon visent d'abord à vérifier le bienfondé expérimental des lois de carré inverse, comme la loi de Coulomb ou la loi d'attraction gravitationnelle de Newton. Je ne vais pas rentrer dans le détail, mais la vérification de la loi de carré inverse conduit à introduire dans la forme du potentiel un terme qui inclut la masse du photon (dans la forme de potentiel de type "Yukawa" pour les curieux...).

Les meilleurs résultats actuels sont donnés par des mesures sur le champ géomagnétique terrestre. Deux physiciens (Kobzarev et Okun) en ont déduit le majorant de la masse du photon, soit environ 4*10-51 kg. Pour les curieux, voici un lien sur leur article : http://www.itep.ru/theor/persons/lab180/okun/em_24.pdf. D'autres expériences (par exemple celle de Williams, Faller et Hill) donnent des résultas sensiblement équivalents, de l'ordre de 10-50 kg.

C'est très très très faible, mais pas nul. Evidemment, c'est un majorant et ce n'est pas la preuve expérimentale que la masse du photon est nulle. Mais cela y ressemble quand même... Ces résultats et les éléments théoriques tendent à affirmer que le photon a bien une masse nulle. Cela ressemble à la discussion sur le principe d'équivalence, dans lequel on admet l'équivalence de la masse grave et de la masse inertielle, sans que l'on ait encore pu le démontrer expérimentalement. Là aussi, nous ne disposons que d'un majorant de la différence entre les deux masses...

En résumé

Attention à l'emploi de la formule E = mc2 et à la notion de masse ...

Le photon est un objet quantique très ... particulier : c'est un boson, sans masse (très probablement), porteur de l'interaction électromagnétique et sans structure interne.

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Il y a peu, un de mes jeunes amis, élève de terminale S, m'a posé une question peu banale, du moins pour un élève de TS. Je lui ai affirmé au cours d'une discussion, de façon un peu péremptoire j'en conviens, que le photon n'avait pas de masse.

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TI : Regression linéaire

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Effectuer une régression avec la TI-83 Premium CE

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I/ Aspect macroscopique

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Transformations en chimie organique : aspect macroscopique

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II/ Mécanismes réactionnels

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Transformations en chimie organique : aspect microscopique

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Dualité onde-particule

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(Animation Flash)

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Pourquoi on n'a pas froid dans un igloo ?

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Pourquoi on a pas froid dans un Igloo par ScienceEtonnante - I Phyz Good #02 - String Theory

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Vidéo : Horloges atomiques embarquées

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Temps et relativité dans l'Espace Einstein l'avait dit ! Note: Ce principe est utilisé pour le GPS ! TUYAU: Voyez http://www.ovni007.com

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Relativité, ce qu'il faut savoir en TS (cours avec exo bac corrigé ; A VOIR !)

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Dilatation du temps et référentiels en relativité

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Principe et précision du GPS (vidéo en bas de page)

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Grâce au GPS, il est possible de se situer où que l'on se trouve sur le globe terrestre, et ce, parfois, avec une précision étonnante, pouvant aller... jusqu'au centimètre !

Le fonctionnement du GPS repose sur une série de satellites en autour de la . Chaque satellite envoie des signaux indiquant sa position dans l'espace ainsi que l'heure et la date d' desdits signaux. Nos puces , quant à elles, réceptionnent ces signaux et calculent ensuite, par trilatération, notre position - , et altitude - sur le globe. Pour que le système fonctionne, il faut compiler les données reçues de quatre satellites : trois pour la position et un pour la synchronisation.

La précision des horloges atomiques

La synchronisation ? Oui, parce que notre position se déduit notamment de la de parcours - entre le satellite émetteur et le boîtier GPS récepteur - du signal. Les informations des deux horloges doivent donc être extrêmement précises et synchronisées. Un décalage d'une microseconde entraîne une erreur de positionnement de quelque 300 mètres ! D'où le recours à des horloges atomiques . Ce sont elles - plus quelques corrections relativistes - qui font la précision du système GPS . Nos boîtiers GPS n'étant pas équipés de telles horloges, l' horodatage est produit par l'horloge atomique embarquée dans un satellite.

Puces et boîtiers GPS

Certaines puces GPS peuvent fournir une précision au centimètre mais, pour l'heure, elles sont encore trop chères et énergivores pour être ouvertes au grand public et restent donc réservées à des usages spécifiques ( sans conducteur, agriculture de précision, applications militaires, etc.).

Nos boîtiers GPS et nos smartphones , quant à eux, offrent une précision qui oscille, pour les meilleurs d'entre eux, entre 5 et 10 mètres, ce qui est déjà tout à fait intéressant.

Les satellites Galileo pour plus de précision

Le système de navigation européen Galileo devrait bientôt permettre d'améliorer ces chiffres. Les responsables du programme tablent sur une précision de moins de 5 mètres pour le grand public. Les horloges atomiques des satellites sont en effet plus récentes donc plus précises que celles du système américain que nous utilisons actuellement. Grâce à l'usage de multifréquences, leurs signaux seront également moins affectés par leur passage dans la ionosphère ou par les problèmes de réflexion sur les bâtiments.

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Grâce au GPS, il est possible de se situer où que l'on se trouve sur le globe terrestre, et ce, parfois, avec une précision étonnante, pouvant aller... jusqu'au centimètre ! Le fonctionnement du GPS repose sur une série de satellites en autour de la .

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Vérification expérimentale : Horloges atomiques embarquées

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Les scientifiques de l'espace : des super héros ?

L'homme rêve depuis longtemps de pouvoir "manipuler" le temps. Des expériences sont menées un peu partout dans le monde, notamment par les ingénieurs du CNES.

Pas la télékinésie, mais la... ?

Question de culture générale : dans la série Heroes, l'informaticien Hiro Nakamura se découvre un super pouvoir, lequel ?

Indice : il parvient à ralentir et accélérer les aiguilles des horloges. Réponse : c'est la chronokinésie. Un mot compliqué qui signifie la capacité à manipuler le temps.

Cela paraît difficile à croire, mais les ingénieurs du CNES maîtrisent eux aussi la chronokinésie : ils préparent en ce moment une expérience scientifique dont l'objectif est de provoquer et d'observer une modification de l'écoulement du temps.

Si Hiro peut suspendre complètement le temps, figeant par exemple sur place les passants d'une rue, les ingénieurs du CNES, eux, ne s'attendent pas à un effet aussi spectaculaire. Mais ils devraient tout de même parvenir à accélérer la course d'une horloge !

Des horloges font le tour du monde

L'un des buts des ingénieurs du CNES est d'améliorer des expériences de "manipulation du temps", dont l'une des plus incroyables a été celle de Joseph Hafele et Richard Keating, en 1971.

Ces deux physiciens américains avaient placé des horloges ultraprécises à bord d'avions de ligne.

De vol en vol, les horloges avaient effectué un tour du monde, certaines voyageant vers l'Ouest, d'autres vers l'Est.

À leur retour au point de départ, les horloges avaient été comparées avec celles restées à terre : les heures ne coïncidaient plus !

Celles voyageant vers l'Ouest avaient avancé de 275 milliardièmes de seconde par rapport à l'horloge terrestre, alors que celles traversant le ciel par l'Est avaient pris un retard de 59 milliardièmes de seconde.

Autrement dit, le voyage avait accéléré le temps pour les unes et ralenti pour les autres !

Vous avez l'heure, docteur Einstein ?

"Magique," direz-vous ? "Évidemment non," vous répondrait Albert Einstein.

Car la théorie de la relativité, dont il est l'un des pères, explique parfaitement ces phénomènes. Selon cette théorie, l e temps et la vitesse sont des paramètres dépendants ! Plus on se déplace vite, plus le temps ralentit autour de soi (et donc plus la montre à son poignet retarde)...

Cela mérite une explication ! Pour appliquer la théorie de la relativité, il faut mesurer la vitesse non par rapport à la surface de la Terre, mais par rapport au centre de la planète.

Dans ce référentiel, un avion se déplaçant vers l'Est cumule sa propre vitesse et celle de la Terre qui tourne justement d'Ouest en Est.

Il va donc plus vite que la surface de la Terre par rapport à son centre, donc, d'après Einstein, le temps ralentit à l'intérieur de la carlingue.

À l'inverse, en allant vers l'Ouest, l'avion retranche sa vitesse à celle de la Terre, le temps s'accélère donc par rapport à celui qu'on mesure sur Terre.

Les horloges atomiques

Comment Hafele et Keating ont-ils pu mesurer des durées à des milliardièmes de seconde près ?

Pas question d'utiliser une montre à quartz, trop imprécise : les deux physiciens ont eu recours à des "horloges atomiques".

Leur principe est connu depuis 60 ans : le "tic-tac" de ces horloges est donné par un nuage d'atomes qui traverse une "boîte" emplie d'ondes radio.

Ce sont ces ondes qui, en quelque sorte, demandent l'heure aux atomes du nuage.

Les ondes radio cèdent de l'énergie aux atomes, qui, en retour, réémettent une onde électromagnétique. Les ondulations de cette onde fournissent ensuite le "tic-tac" : ainsi, la seconde correspond à la durée de 9 192 631 770 ondulations d'une onde émise par un nuage d'atomes de césium.

C'est la définition officielle.

Les horloges atomiques : pour faire quoi ?

Quelle heure est-il ? Demandez donc aux horloges atomiques, car ce sont elles qui définissent le temps sur Terre ! Mais elles ont aussi bien d'autres applications...

Pour définir le temps international

Sans que nous en ayons conscience, les horloges atomiques terrestres rythment notre quotidien car elles déterminent le " temps international", celui qui sert de référence sur Terre.

Il permet de déterminer les fuseaux horaires, et par conséquent l'heure dans chaque zone géographique. On l'utilise aussi pour synchroniser les communications par satellites ou faire fonctionner le système de géolocalisation GPS.

Or ce "temps international" n'a pas été tiré aux dés... Il résulte d' une moyenne de plusieurs temps enregistrés par plus de trois cents horloges atomiques réparties sur le globe.

Ce système est considéré comme plus "démocratique" que l'ancien, où une horloge "mère" donnait quelque part dans le monde le temps de référence.

Pour télécommander les sondes spatiales

Localiser les sondes spatiales qui voyagent aux confins du système solaire n'est pas aussi simple que lancer une recherche sur GoogleEarth.

Pour cela, la NASA est obligée de communiquer régulièrement avec les sondes, via le " deep space network", un réseau international d'antennes installées aux États-Unis, en Australie et en Espagne.

Pour réduire le temps de communication avec les sondes et ainsi, le temps d'utilisation du réseau d'antennes, la NASA développe une horloge atomique pesant moins d'un kilogramme !

L'horloge miniature sera embarquée dans les prochaines sondes de l'agence. Ainsi dotée, la sonde deviendra incollable sur le temps écoulé entre deux transmissions avec la Terre.

Avec cette donnée en plus, les ingénieurs calculeront plus vite la position de la sonde, économisant ainsi des échanges avec l'engin spatial.

Pour la recherche fondamentale en cosmologie

Bizarrerie dans l'espace : en analysant le déplacement des sondes Pioneer 10 et 11, toujours en fonctionnement depuis leur lancement en 1972 et 1973, les ingénieurs de la NASA ont constaté que leur trajectoire s'écartait de plus en plus de celle calculée compte tenu de l'attraction des planètes du système solaire.

L'une des explications à cette épine dans le pied à la physique moderne est que la loi de la gravitation se comporte différemment à petite échelle (comme on peut l'observer sur notre planète) et à l'échelle du système solaire.

Dans un proche avenir, " on enverra des horloges atomiques autour du Soleil pour tester les lois de la gravitation à une autre échelle," promet Didier Massonnet, chef du projet Pharao au CNES.

L'enjeu sera de vérifier si l'écoulement du temps est perturbé à proximité de l'astre de la même manière que sur Terre, ou bien s'il subit lui aussi une anomalie, tout comme les trajectoires des deux Pioneer... Et, éventuellement, de corriger en conséquence la théorie de la relativité.

Pour prospecter du pétrole

Dans l'Antiquité, on mesurait le temps qui passe en observant l'eau s'écouler dans un réservoir (principe de la clepsydre).

Dans un futur proche, c'est l'inverse qui nous attend : on mesurera un niveau de liquide avec une horloge !

" À long terme, on disposera d'horloges sensibles à une différence du potentiel de gravité correspondant à une variation d'altitude de seulement un centimètre," prophétise Didier Massonnet.

On pourra donc "observer" sur une horloge atomique l 'effet d'une baisse de nappe phréatique (réserve souterraine d'eau) due à une sécheresse, ou déceler la présence en profondeur de pétrole ou de minéraux, car ces phénomènes affectent localement la pesanteur terrestre.

Les horloges atomiques seront devenues des baguettes de sourcier, en somme.

Pharao remet les pendules à l'heure

A l'horizon 2017, un nouveau modèle d'horloge atomique sera embarqué à bord de l'ISS. Il permettra, notamment, de tester la théorie de la relativité d'Einstein.

Une précision diabolique

Une précision accrue est souvent synonyme de découvertes en physique.

D'où l'intérêt du projet Pharao, une horloge atomique ultraprécise qui sera mise en orbite en 2017, à bord de la station spatiale internationale (ISS).

Elle pourra mesurer d es décalages de 0,00000000001 seconde par jour.

Si l'on s'était servi de cette horloge pour mesurer le temps écoulé depuis le Big Bang, elle indiquerait l'âge correct de l'Univers à quelques dizaines de secondes près !

Pharao ne sera pas la première horloge atomique dans l'espace (de nombreux satellites ayant besoin de connaître le temps avec précision en sont équipés), mais elle sera indubitablement la plus exacte. En effet, elle ne perdra qu'une seconde toutes les 300 millions d'années.

Une belle performance si on la compare aux horloges terrestres qui elles, perdent une seconde toutes les 50 millions d'années !

Le secret ? Une horloge surgelée

Pharao signifie : projet d'horloge atomique par refroidissement d'atomes en orbite. En effet son nuage d'atomes sera refroidi à une température proche du zéro absolu (-273°C).

Qu'apporte le refroidissement ? En physique, l a chaleur est synonyme d'agitation thermique. Donc, en refroidissant à l'extrême le nuage, on ralentit considérablement ses atomes. Ce qui facilite ensuite le décompte des vibrations de l'onde qu'ils émettent ().

L'horloge bénéficiera aussi de l' impesanteur qui règne dans l'ISS : délivré de la pesanteur terrestre, le nuage d'atomes sera en quelque sorte en lévitation dans sa boîte emplie d'ondes.

Les atomes restant donc plus longtemps dans la boîte, le capteur électronique chargé d'enregistrer le tic-tac aura d'autant plus de temps pour analyser l'onde électromagnétique.

Ces deux éléments ( le refroidissement et l'impesanteur) expliquent l'incroyable précision de l'horloge.

Explications en images de cette nouvelle génération d'horloges à atomes froids dont fait partie Pharao © CNES

Sport interdit ?

À sensibilité accrue, protection renforcée. L'ennemi numéro Un de l'horloge : le champ magnétique terrestre présent jusque dans l'espace.

Il parasite la réponse des atomes aux ondes radio et réduit la précision de l'horloge. La riposte : l'horloge sera blindée avec une enveloppe qui atténuera d'un facteur 100 000 le champ magnétique ambiant.

Second ennemi : les vibrations. Une station spatiale est en permanence traversée par des vibrations sonores produites par l'activité humaine à bord et le fonctionnement des instruments scientifiques.

Pour s'en prémunir, l'horloge possédera un appareil appelé accéléromètre : lorsque les vibrations sont trop importantes, l'accéléromètre indique à l'horloge qu'elle doit ignorer le temps donné à cet instant.

Mais alors, les vibrations étant plus importantes lorsque l'équipage fait du sport, l'activité physique sera-t-elle interdite pour entretenir la flamme du temps ?

A l'assaut de la théorie de la relativité

Pharao est un instrument de recherche fondamentale.

Il permettra notamment aux physiciens qui l'ont imaginé de tester si, comme le prévoit la théorie de la relativité, l'écoulement du temps est influencé par la gravité.

D'après cette théorie, le temps ralentit à proximité de toute masse. Autrement dit, le temps s'écoule plus lentement à la surface de la Terre que dans l'espace.

Ce phénomène a déjà été observé dans l'expérience de Hafele et Keating. L'horloge atomique Pharao va en affiner les résultats.

En fonction de ces mesures, il n'est pas impossible que les physiciens aient besoin de compléter la théorie de la relativité !

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L'homme rêve depuis longtemps de pouvoir "manipuler" le temps. Des expériences sont menées un peu partout dans le monde, notamment par les ingénieurs du CNES. Question de culture générale : dans la série Heroes , l'informaticien Hiro Nakamura se découvre un super pouvoir, lequel ?

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Lois de Kepler (le cours)
A ouvrir avec un explorateur acceptant les fichiers flash (swf)

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Retour sur les trois lois du mouvement planétaire découvertes par Johannes Kepler et leurs applications.

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Lois de Kepler (plus complet, presque trop pour le début)

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Equivalence suivi conductimétrique avec Atelier scientifique

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Equivalence suivi conductimétrique avec Atelier scientifique

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Equivalence suivi pH-métrique avec Atelier scientifique

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Equivalence suivi pH-métrique avec Atelier scientifique

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III/ Les ondes sonores

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Animation ; Nécessite flah player

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Notion de retard (vidéo)

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Choix de l'indicateur coloré pour un titrage acido-basique

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Choix de l'indicateur coloré pour un titrage acido-basique