La théorie du chaos et l'effet de papillon

 

La théorie du chaos, l'effet de papillon 

Le monde où on vit est plein de surprises et de contraductions où les événement sont interconnectés  d'une maniére qui peut sembler aléoatoire mais qui est en fait très précise, et si je vous disais que le battement d'une aile de papillon au Japon a provoqué un typhon en Floride? Cela peut sembler fou mais c'est trés réaliste et c'est ce qu'on appelle la théorie du chaos.

Qu'est ce que la théorie du Chaos?

La théorie du chaos est une théorie physique_mathématique modérne basée sur l'idée que tout changement, aussi simple soit il, dans les conditions initials de tout phénomène peut conduire à des résultats complétement differents de ce qui est attendu, c'est un type de comportement  chaotique également connu sous le nom de chaos.  

Début de la théorie du chaos.

L'expression effet papillon a été inventée  pour la première fois en 1963 par le météorologue Américain Edwadd Lawrence en faisont des expériences sur la météorologie dans le but de prédire la météo pendant un certain temps, en collectant des informations telles que la pression atmosphérique et la quantité de vapeur d'eau et en les insérant dans un programme qui à son tour prédit les changement du météo dans les heures  à venir selon  les données intiales que Lawrence entre.

Mais en répétant la même expérience en négligeant les petits nombres décimaux, Lawrence a été surpris que la prédiction ait radicalement changé en raison de cette légére différence  qui ne dépasse pas le battement de l'aile d'un papillon.

L'expréssion d'Edward Lawrence a changé  notre vision de l'univers et nous avons pris conscience  que  tout changement aussi mineur soit il, au cours des èvenement peut avoir un impact très important sur le résultat final et que nous ne pouvons pas prédire tous les événement à venir.

Quant la théorie du chaos fonctionne_t_elle?

Le monde Newtonien est resté dominant pendant des siécles, un monde ou tout est calculé avec précision, connaisant les conditions initiales de tout événement ou phénomène, il est possible de prédire avec une grande précision les résultats finaux et ce à quoi les choses vont aboutir, mais avec l'émrrgence de la théorie du chaos, il est devenu impossible de prédire ce qui pourrait arriver.

Les scientifiques ont remarqué que les phénomènes linéaires où les lois sont proportionnelement liée les unes aux autres, comme les lois de Newton F=ma, le résultat final ne différe pas si on change légérement dans les condtitions initiales mais en présence de phénomènes non lineaire où les lois ne sont pas directement proportionneles les unes aux autres, nous verrons que tout changement même minime conduit à un changement drastique de la trajectoire, car le comportement de ce types de taux dèpent trés sensiblement de la valeur initiale X0 et de la valeur du multiplicateur R.

La théorie du chaos définit non seulement les phénomènes non lineaire qui ne peuvent pas être prédit, mais détermine plutôt quant on ne peut pas prédire, et aprés combien de temps la situation explorera de maniére incontrôlable, c'est_à_dire  que la théorie de chaos est chaotique mais certainement pas aléatoire.

Expemles sur la théorie du chaos.

Bien que la théorie du chaos soit une théorie matématique et physique, on l'observe dans tous les aspects de la vie, de la météorologie à l'économie et même la politique.

 Un exemple concret de cette théorie est la pérturbation de l'écosystème causée par un certain nombre de lapain importés de Grande_Bretagne en Australie en 1859, comme ces lapains se multipliaient à une vitesse fulgurante, causant des dommages aux mauvaises herbes, aux pâturages et aux cultures agricoles, et aucun  moyen ne parvenaient à les éradiquer, le nombre de lapains dépassait le nombre d'habitants, et de vastes zones de prairie transformées en désert aride, et la région était afféctée 

Était il possible de prédire à l'avance ce que plusieur lapains feraient sur tout un continent? 

 

Certains phénomènes météorologiques ont été observés dans certaines régions, suivis d'autres phénomènes dans d'autres région éloignées, tel que les orages au dessus de l'océan pacifique, qui ont été observés précédés d'orages sur le continent Africain.

Et ce que les experts Américains ont révélé à l'univsrsitè de l'Ohio sur les changements climatiques survenus au Yemen et dans les pays insulaires à la suite du trembelemt de terre du Tsunami, après que ce dernier ait rendu la région sous l'influence des vents de mousson venant de l'océan Indien, chargés de fortes pluies il y a environ 5000 ans.

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L'antimatière

L'antimatière  sont des particules qui ont les mêmes caractéristiques qu'une particule ordinaire et obéit aux mêmes lois, mais avec une charge inversée.

L'anti_électron porte la même masse qu'un électron mais a une charge positive, et on l'appelle un positron.De plus, un antiproton porte la même masse qu'un proton mais avec une charge négative, et s'appelle un antiproton.

Il y a donc des anti atomes, des anticorps et même un antivers dans la nature, et il peut y avoir des anti-humains.

Historique.

Le premier à prédire l'existence de cette antimatière, fut le scientifique britannique Paul Dirac en 1928, en essayant d'atteindre une équation en mécanique quantique, qui est compatible avec la relativité d'Einstein, et est arrivé à une nouvelle équation complètement différente de l'équation de Schrödinger.

En résolvant cette équation, Paul est arrivé à deux solutions au lieu d'une solution, une solution qui remonte à l'électron régulier, et la seconde solution porte les mêmes caractéristiques qu'un électron régulier mais avec une charge positive et une énergie opposée, ce qui lui a fait prédire l'existence de particules dans ce monde qui sont anti-électrons.

4 ans après que Paul Dirac ait prédit l'existence de ces antiparticules, le scientifique Carl Anderson a pu prouver leur existence expérimentalement, à travers ses expériences sur les rayons cosmiques.

En 1955, la première antiparticule a été produite dans un accélérateur de particules du laboratoire Lors de Berkeley, et les scientifiques ont également pu produire la première anti atome, qui est l'antihidrogéne.

Où trouve-t-on l'antimatière?

Selon l'équation d'Einstein E = mc2, lorsque l'énergie est transformée en particules de matière, elle produit en même temps un nombre similaire de particules ordinaires et d'antimatière, ce qui signifie que nous pouvons produire de l'antimatière en convertissant l'énergie en matière, et nous pouvons également obtenir une énergie énorme en fusionnant la matière et l'antimatière. 

L'antimatière apparaît souvent à partir de la désintégration de noyaux instables d'isotopes, et les scientifiques pensent aujourd'hui que la région adjacente au trou noir  géant situé  au centre de notre galaxie de la Voie lactée  dans la région  nommé "Sagitarius A "  émet d'énormes quantités d'antimatière, estimées à environ 10 mille milliards de tonnes de positrons par seconde.

Production d'antimatière.

La production d'antimatière en laboratoire nécessite une énergie très élevée, et donc un coût très élevé.

 Dans le laboratoire Fermilab et CERN , où se trouve l'installation la plus puissante pour produire de l'antimatière, et en recueillant le résultat de 25 ans de travail acharné, nous constatons que la quantité d'antimatière produite jusqu'à présent est d'environ 15 nanogrammes pour un coût de 15 millions de dollars, et si Nous voulions produire 1 gramme d'antigène, et cela coûterait 6 billions de dollars.

L'antimatière se forme au niveau du collisionneur de particules lorsqu'un boson se désintègre en une paire d'antiparticules. Les seules particules d'antimatière stables sont le positron et l'antiproton, les autres se désintègrent très rapidement.

 Il existe au CERN un groupe d'accélérateurs qui produisent des antiprotons, les dirigent et les récupèrent à la même vitesse, puis les ralentissent pour des expériences de physique atomique sur l'antimatière.

Au CERN, des protons d'une énergie de 26 GeV entrent en collision avec des noyaux atomiques à l'intérieur d'un cylindre métallique. 

Environ quatre paires de protons et un antiproton sont produits après un million de collisions. Les anti-protons sont séparés des particules à l'aide de champs magnétiques avant d'être envoyés au retardateur anti-protons, ce qui les ralentit de 96% à 10% de la vitesse de la lumière. Il est ensuite injecté dans des tubes de détection où il peut être capturé et stocké.

Stockage d’antimatière.

Le processus de stockage de l'antimatière est un processus complexe en raison de sa nature qui le fait périr directement au moment où il entre en contact avec une substance ordinaire, et comme tout autour de nous est fait de matière ordinaire, il est très difficile d'isoler l'antimatière de la matière ordinaire.

L'antimatière produite est placée dans des tubes complètement évacués de l'air, et les extrémités des tubes sont reliées à un aimant qui met l'antimatière dans un état de mouvement constant, afin d'éviter tout contact avec les extrémités des tubes également.

L'utilisations de l'antimatière.

L'énergie produite par la collision de 1 gramme de matière ordinaire avec 1 gramme d'antimatière, produit une énergie énorme équivalente à une bombe nucléaire.

Les scientifiques tentent de tirer parti de l'énorme énergie de l'antimatière pour développer l'humanité, car 1 mg de la collision de la matière et de l'antimatière produit suffisamment d'énergie pure pour répondre aux besoins humains pendant de nombreuses années.

L'un des projets les plus importants pour exploiter l'énergie de l'antimatière est la construction de vaisseaux spatiaux fonctionnant avec cette énergie.
L'antimatière est également utilisée dans le domaine médical au moyen de dispositifs PET (Position Emission Tomography), qui sont des dispositifs de balayage qui fonctionnent sur le principe de l'injection au patient de noyaux radioactifs (tels que C11, K40, N13), qui sont des isotopes contenant de l'antimatière, puis suivent ces matières radioactives pour trouver la localisation de toute maladie potentielle. 

Où est l'antimatière?

Les scientifiques pensent que la matière et l'antimatière ont été créées avec des quantités égales d'énergie résultant du Big Bang, lorsque l'univers était plus jeune et plus chaud, mais aujourd'hui, notre univers ne se compose que de matière. Où est passée la quantité d'antimatière? C'est ce qui constitue l'énigmd le plus important de la physique de base de ce siècle.

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 Les ondes gravitationnelles 

Les ondes gravitationnelles sont des vibrations dans le tissu de l'univers (espace_temps), qui se produisent en raison de phénomène violants dans l'univers tel que la coalescence de deux trous noir ou le mouvement d'étoiles à neutrons.

Historique.

En 1905, Albert Einstein propose la théorie de la relativité restreinte, qui indique l'existence d'un lien profond entre le temps et l'espace. En plus des trois dimensions spatiales, Einstein a ajouté une quatrième dimension, qui est le temps, pour former ensemble ce que l'on appelle l'espace-temps.

Après des années de théorie de la relativité restreinte, Einstein est revenu en 1915 pour utiliser le nouveau concept d'espace-temps pour expliquer le mécanisme de l'action de la gravité, où, contrairement à la théorie de Newton sur la gravité (les objets plus lourds sont attirés par des objets plus petits), qui a duré des siècles, Einstein a expliqué que la gravité est une déviation dans Espace-temps.

Einstein considérait que l'univers est un tissu composé de quatre dimensions, qui sont l'espace-temps, et que tous les corps et toutes les énergies y sont situés, et la présence de tout corps ou énergie conduit à une courbure dans le tissu de l'univers, et donc des corps plus lourds provoquent des courbures plus grandes et attirent ainsi des objets plus légers vers eux.

La transmission des ondes gravitationnelles dans l'univers.

Lorsque deux trous noirs tournent l'un autour de l'autre bilatéralement, cette rotation mutuelle et violente, qui peut durer des millions d'années, déstabilise le tissu de l'univers, créant des ondes gravitationnelles, et à mesure que les deux trous noirs se rapprochent davantage, leur vitesse augmente jusqu'à atteindre la moitié de la vitesse de la lumière, et en un instant Les deux trous fusionnent pour former un nouveau trou noir plus grand. Au moment exact de la fusion, une onde gravitationnelle se forme qui se propage dans tout le tissu de l'univers et continue de se propager pendant des millions d'années.

Malgré l'ampleur de l'événement, les ondes gravitationnelles qui en résultent sont infinitésimales ne dépassant pas une partie du diamètre d'un atome d'hydrogène par rapport à la distance entre la terre et le soleil, et les scientifiques n'ont donc pas été en mesure de les surveiller ou de les calculer, et les ondes gravitationnelles ne sont donc restées qu'une hypothèse, jusqu'en 2016.

Les expériences de mesure d'ondes gravitationnelles.

En utilisant l'interférence laser, les scientifiques ont pu mener deux expériences avec des mesures très précises qui nous ont permis de détecter enfin les ondes gravitationnelles le 11 février 2016, et 100 ans plus tard, la relativité générale d'Einstein a été validée.

L'expérience de l'Observatoire LIGO. 

LIGO est l'abréviation de (lazer interferometer gravitational_waves observatory), il est composé de deux observations au sol, l'une à Hanford, dans l'État de Washington, et l'autre à Livingston, en Louisiane.LIGO s'appuie sur les propriétés de longueur d'onde de la lumière pour mesurer les changements de vitesse à laquelle les impulsions lumineuses arrivent.

La lumière a un comportement d'onde dans sa propagation dans l'espace, par lequel son champ électromagnétique passe d'une valeur maximale à une valeur minimale selon une fonction sinusoïdal.

Donc l'idée de l'expérience est similaire à celle de Michelson-Merulley pour l'interférence et consiste en deux miroirs, un récepteur ou un détecteur de lumière et un diffuseur de lumière afin d'obtenir deux faisceaux lumineux à partir d'une source.

La lumière laser va au détecteur de la source laser LS, en passant par le diffuseur optique B, qui envoie la moitié de la lumière vers le miroir M1 et l'autre moitié vers le miroir M2. La lumière incidente est réfléchie vers les deux miroirs et retourne vers le distributeur optique B, de sorte que la lumière provenant des miroirs M1 et M2 est à nouveau divisée et tourne de moitié Vers le détecteur LD, tandis que l'autre moitié retourne au détecteur LS, comme indiqué sur l'image ci-contre.

En physique, ces installations sont appelées échelle d'interférométrie de Michelson.

Ceci est une illustration simplifiée de l'expérience réelle, qui est beaucoup plus complexe, car la longueur d'un bras, qui est la distance entre le séparateur de lumière et les deux miroirs, est de 4 km. Les complications sont comment les deux miroirs peuvent être suspendus d'une manière qu'ils peuvent être affectés par l'onde gravitationnelle comme s'il s'agissait de particules en mouvement libre dans l'espace, en plus de la façon dont L'énorme observatoire peut être isolé des vibrations du sol causées par le mouvement des trains et des voitures.

Malgré la difficulté de l'expérience et la précision des ondes gravitationnelles, le 11 février 2016, LIGO a pu surveiller une vibration précise et claire originaire de l'espace qui correspond à la fusion de deux trous noirs, et cela a abouti à un flash dont la puissance est équivalente à celle de toutes les étoiles de l'univers, et cela a duré 20m /s, l'événement ( La fusion de deux trous noirs) s'est produite il y a un milliard d'années et l'onde gravitationnelle a continué à se déplacer dans le tissu de l'espace-temps pendant un milliard d'années jusqu'à ce qu'elle provoque une déformation dans les bras de l'observatoire du LIGO.

Pourquoi la découverte des ondes gravitationnelles est-elle importante?

La découverte des ondes gravitationnelles est importante car elle est considérée comme une nouvelle fenêtre pour regarder l'univers. Après que Galilée a utilisé le télescope pour la première fois, qui a changé notre vision de l'univers par l'observation visuelle ou invisible, la théorie des ondes gravitationnelles est une nouvelle façon de regarder l'univers en entendant les vibrations qui se produisent dans le tissu de l'univers.

Les scientifiques espèrent aujourd'hui utiliser la théorie des ondes gravitationnelles pour identifier le phénomène cosmique le plus violent et la plus grande vibration que l'on puisse imaginer, qui est la grande secousse qui s'est produite lors de l'émergence de l'univers il y a 14 milliards d'années.

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Théorie des supercordes

 Théorie des supercordes

La théorie des cordes aspire à tout unifier, des atomes et particules minuscules aux étoiles et aux galaxies, en une seule théorie appelée la théorie de tout.

La possibilité d'unifier la relativité générale et la mécanique quantique en une seule équation explique tout,  était  le rêve d'Einstein, qu'il a travaillé à réaliser jusqu'au dernier moment de sa vie.

Aujourd'hui le rêve est imminent, grâce à la théorie des cordes.

Qu'est-ce que la théorie des cordes?

L'idée de la théorie des cordes est très simple, elle tourne autour du fait que tout dans l'univers, des plus petites particules aux étoiles les plus éloignées, est composé d'une seule chose, qui sont des chaines d'énergie vibrante, appelées cordes.

Ces cordes vibrent à des fréquences différentes,  chaque motif de vibrations représente une particule différente, faisant tous les composants de la nature, en d'autres termes, l'univers n'est rien d'autre qu'une symphonie dont les notes sont le résultant de la vibration de ces cordes.

Il existe deux types de cordes , des cordes ouvertes et des cordes fermées, et la taille d'une seule corde est d'environ 10 ^_ 35 mètres, pour approximer la vision, si nous agrandissons les atomes de sorte que le noyau ait la taille du soleil et que l'électron soit la taille de la terre, la taille de la corde sera approximativement la taille du noyau de l'atome.

bref historique.

La théorie des cordes est apparue pour la première fois en 1960 et considérait que l'unification de la relativité générale et de la mécanique quantique ne peut être réalisée qu'en trouvant la particule graviton (responsable de la force gravitationnelle), où la mécanique quantique vise à trouver une particule quantique pour chaque force.

En effet, la théorie des cordes a finalement atteint la particule graviton, et l'unification de la relativité générale et de la mécanique quantique est devenue possible, mais nous avons dû payer un lourd tribut pour cela, qui est l'inévitabilité de l’existence de  26 dimensions au lieu des 4 dimensions que nous connaissons (3 dimensions spatiales et une dimension temporelle).

En 1984, les scientifiques Michael Green et John Schwartz ont développé la théorie des cordes, de sorte qu'ils obtenaient  5 théories des cordes, et en la combinant avec la théorie de la supersymétrie, (ce qui signifie l'existence d'une ou plusieurs particules complètement symétriques avec la particule d'origine, par exemple, le symétrie de l'électron est le sy_ectron, le neutrino est le  sy_neutrino...ect, 

Par conséquent, les 26 dimensions ont été réduites à 10 dimensions seulement, et ainsi la théorie des cordes a été développée, en théorie des supercordes. 

les 5 théorie  des cordes s'appellent:

1. type I: ou Les cordes sont ouvertes ou fermées.
2. type IIA: Contient  seulement les corde fermées
3. type IIB: Contient  seulement les corde fermées
4. hétérotique E8xE8: Contient  seulement Les corde fermées (contient le groupe de jauge spécial E8xE8).
5. hétérotique SO(32):  contient  seulement Les corde fermées (contient le groupe de jauge de rotation SO(32)).

 La Théorie M.

Cependant, le problème d'avoir 5 théories de la théorie des cordes est resté un obstacle à l'unification de toutes les lois de la physique, en une seule théorie, ou ce que l'on appelle la théorie de tout.

Jusqu'en 1996, lorsque le physicien Edward Witten a révolutionné la théorie des cordes, en supposant que les cinq théories de  supercordes ne sont que des aspects différents d'une théorie de base appelée la théorie M.

Ed Witten a ajouté une nouvelle dimension aux théorie, et avec cela, nous avons 11 dimensions pour la théorie des supercordes, où  les 4 dimensions sont l'espace-temps ou les dimensions physiques, tandis que les 6 autres dimensions sont de très petites dimensions dans le plan sous-physique, et Witten a supposé que la nouvelle dimension qu'il a ajoutée, soit c'est une très  petite dimension Tout comme les 6 autres dimensions, ou  une très grande dimension que l'on ne peut pas observer et qui forme des univers parallèles.

Grâce à la nouvelle théorie d'Ed Witten, nous avons une théorie qui explique tout en 11 dimensions.

 Les avantages de la théorie des supercordes.

La théorie des cordes est considérée comme une théorie prometteuse malgré les nombreux problèmes auxquels elle est confrontée, car elle nous donne des méthodes mathématiques pour relier des champs différents et dissemblables dans  ce qu'on appélle les  binaires, comme la relier à la gravité et à l'électromagnétisme en physique, et la relier également à plusieurs théories en mathématiques.

Les problèmes de théorie des cordes.

La théorie des cordes est une théorie élégante et belle, et elle peut tout expliquer et relier toutes les sciences entre elles, mais elle se heurte à de nombreux problèmes, notamment:

1. La très petite taille des cordes(10^_35 m) , même inférieure à la longueur du Planck, les rend impossibles à détecter expérimentalement.
2. Dans sa tentative d'unifier les lois de la physique, la théorie des cordes aura besoin d'énormes accélérateurs de puissance, qui ne peuvent être atteints avec nos capacités actuelles, ce qui a conduit certains scientifiques à la considérer comme une théorie philosophique, et non scientifique, car elle ne fournit pas de prédictions pouvant être examinées et critiquées.
3. La théorie des supercordes nécessite des particules supersymétriques, dont aucune n'a été trouvée même dans notre  accélérateur le plus rapide.
4. En essayant d'extraire les constantes physiques en utilisant la théorie des supercordes, comme la vitesse de la lumière, la masse d'un électron, etc., cette théorie nous donne 10 ^ 500 solutions et cela représente des solutions différentes pour des univers multiples et différents.

Mais malgré tous ces problèmes auxquels la théorie des supercordes est confrontée, Ed Witten dit:

"Pour moi, il est inconcevable que les humains tombent  par hasard sur une structure aussi étonnante, qui jette tellement de lumière sur des théories physiques bien établies et diverses branches des mathématiques, je suis convaincu que Le projet général est sur la bonne voie, mais je ne prétends pas que cet argument que j'ai présenté soit scientifiquement convaincant".

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