Physique

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Contexte

Le champ de la physique classique englobe des domaines étroitement liés : la mécanique (basée sur les lois du mouvement de Newton), la chaleur (thermométrie et calorimétrie), la thermodynamique, l'électricité et le magnétisme classiques (basés sur les découvertes de Coulomb, d'Ampère, de Faraday et de Maxwell) et certains aspects de la physique statistique. La microphysique ou physique moderne étudie la structure de la matière en détail : atomes, molécules, électrons, noyaux, nucléons et particules élémentaires dont beaucoup sont instables et possèdent une durée de vie très brève.

La transition de la physique classique à la physique moderne s'est accompagnée de la découverte dans la nature d'un certain nombre de constantes fondamentales, mesurées depuis avec une précision toujours plus grande. Ainsi, la vitesse de la lumière dans le vide est aujourd'hui connue à 0,004 partie par million (c = 299 792 458 m/s). D'autres constantes fondamentales ont été mesurées avec une précision de quelques parties par million : e (charge de l'électron), m (sa masse), M (masse du proton) et h (constante de Planck). En physique classique, le rayonnement (p. ex., la lumière visible et les ondes hertziennes) est présenté comme une onde continue caractérisée par une longueur d'onde et une fréquence. La physique moderne introduit le concept de paquets d'énergie de valeurs discrètes appelés quanta, associés aux ondes, et, peu après, s'enrichit de la découverte selon laquelle, dans certaines conditions, les unités de matière subatomiques présentent un comportement de nature ondulatoire. D'où la naissance d'un nouveau mode de description mathématique, la mécanique quantique, pour traiter ce comportement.

Enfin, les termes « fondamentale » et « appliquée » représentent une division arbitraire de la physique en deux vastes champs dont la frontière change continuellement. Les études fondamentales de Michael Faraday sur la relation entre l'électricité et le magnétisme ont conduit au domaine d'application du génie électrique. Les études fondamentales en physique nucléaire entreprises par Ernest Rutherford à l'Université McGill au début du siècle ont par la suite donné naissance aux réacteurs nucléaires CANDU. Les études fondamentales en spectroscopie, comme celles qu'a menées le prix Nobel canadien Gerhard Herzberg, sont à la base des lasers, des horloges atomiques et du signal horaire (voir heure) du Conseil national de recherches du Canada diffusé tous les jours sur les ondes de la chaîne radiophonique de Radio-Canada.

Divisions de la physique

La physique se divise en sous-disciplines distinctes unifiées par les lois fondamentales de la mécanique, tant newtonnienne que relativiste, de la mécanique quantique et de la thermodynamique. Dans chacune des subdivisions, les travaux s'effectuent à la fois sur le plan théorique et sur le plan expérimental, et la science progresse grâce à la constante interaction entre ces deux aspects de la recherche et à leur vérification mutuelle.

Physique théorique

La physique progresse grâce au va-et-vient continuel entre expérimentation et observation assortie d'une interprétation conceptuelle des résultats. Jusqu'à la fin du 19^e siècle, les deux vont de concert. Les physiciens du début du 19^e siècle s'adonnent souvent aux deux activités. En raison de l'élaboration de techniques d'expérimentation de plus en plus sophistiquées, d'une part, du perfectionnement de l'analyse mathématique, d'autre part, et grâce à l'accumulation des connaissances au 20^e siècle, il y a une tendance à la spécialisation. La physique théorique qui révolutionne les concepts de la physique tire profit de son nouveau pouvoir et émerge en tant que discipline plus ou moins distincte.

Presque tous les physiciens se répartissent aujourd'hui en « théoriciens » ou en « expérimentateurs ». Il faut cependant faire une distinction entre « physique théorique » et « physique mathématique » : la première se préoccupe de la conceptualisation et de la modélisation du monde physique tandis que la deuxième a pour objet l'élaboration de techniques mathématiques et d'analyse rigoureuses. C'est ainsi que Michael Faraday, il y a un siècle et demi, malgré de grandes lacunes en mathématiques, apporta des changements fondamentaux à la façon de penser en physique, et leur importance se reflète dans la physique contemporaine.

La révolution moderne en physique découle de trois innovations de la fin du 19^e siècle et du début du 20^e siècle. La première porte sur la généralisation de la thermodynamique, par Rudolf Clausius (1822-1888) et J. Willard Gibbs (1839-1903), en une théorie statistique générale qui allait devenir la pierre angulaire de la physique moderne. L'autre concerne l'énoncé de la théorie de la relativité générale par Albert Einstein en 1917. Cette théorie pose les bases d'une cosmologie scientifique en intégrant la gravité, le principal moteur du cosmos, dans la structure intime de l'espace et du temps. La troisième c'est l'élaboration d'une théorie quantique intégrée et cohérente qui a pour origine les travaux de Max Planck, Einstein, Louis de Broglie, Niels Bohr, Erwin Schrödinger et Werner Heisenberg entre autres. P.A.M. Dirac réalise une élégante formulation générale de cette théorie et en effectue une adaptation aux exigences de la relativité. La théorie quantique est essentielle à la compréhension de la structure subatomique de la matière. C'est également le fondement du monde macroscopique, notamment, des phénomènes quantiques qui se manifestent dans les supraconducteurs, les lasers et les effets magnéto-optiques.

Les progrès du 20^e siècle se sont d'abord manifestés en Europe, surtout en Allemagne et en Grande-Bretagne. Sur le continent américain, où l'accent est avant tout mis sur la technologie et sur une approche traditionnellement empirique, les contributions demeurent modestes. La naissance du fascisme en Europe provoque une émigration massive vers les États-Unis et les réfugiés comme Einstein, Fermi, Wigner, Bethe, Peierls et Weisskopf propulsent la physique américaine, en l'espace d'une génération, dans une position de chef de file, à l'échelle mondiale, en physique théorique.

Au Canada, où la tradition empirique est profondément ancrée sous l'influence de Rutherford et d'autres, la physique théorique est pratiquement inexistante avant la fin de la Deuxième Guerre mondiale, trouvant d'abord refuge le plus souvent dans les départements de mathématiques. Seule l'Université de Toronto, grâce à Leopold Infeld, un réfugié polonais qui travaille dans un nouveau département fondé par le théoricien irlandais J.L. Synge, prépare l'avènement d'une nouvelle école de pensée. Le prestige de la physique théorique s'accroît en effet en raison de ses succès qui contribuent à faire gagner la guerre, ce qui crée des conditions favorables à l'expansion rapide de cette science dans les universités.

Dans les années d'après-guerre, l'importante équipe de théoriciens qui avaient travaillé au projet d'énergie atomique du temps de guerre continue ses activités. Ceux qui ne restent pas au sein de l'équipe ainsi qu'un certain nombre de personnes provenant d'autres projets de temps de guerre, forment des noyaux permettant l'expansion de la physique théorique dans les universités d'avant-garde (p. ex., Colombie-Britannique, McGill, Toronto, McMaster).

En 1957, une division de physique théorique existe déjà au sein de l'Association canadienne des physiciens, et des congrès attirant des théoriciens de renommée mondiale ont lieu. C'est le début d'une période d'expansion rapide qui entraîne le Canada dans une position dominante sur la scène mondiale. La transformation du Conseil national de recherches en un centre majeur pour la recherche fondamentale sous l'impulsion de son directeur du temps de guerre, Chalmers Jack Mackenzie, constitue un élément crucial de ce processus. En plus de créer ses propres laboratoires, le CNRC est responsable du financement de la recherche fondamentale dans les universités, en fonction de politiques éclairées dues à Edgar William Richard Steacie et Gerhard Herzberg, entre autres.

L'équilibre entre la physique théorique et la physique expérimentale est maintenant très semblable à celui des États-Unis, et des travaux de renommée internationale sont effectués par des théoriciens canadiens dans tous les domaines. En même temps, les diplômés des grandes universités canadiennes comme McGill, sont bien en vue dans les universités américaines de premier plan.

Le champ d'activité de la physique théorique s'est élargi au cours des dernières années. La physique des particules élémentaires ou des hautes énergies, malgré des incursions en astrophysique et en cosmologie, a atteint certaines limites, incitant des praticiens à chercher des défis dans d'autres secteurs. Les travaux en physique des processus biologiques fondamentaux ont attiré certains des plus grands esprits, tandis que les nouveaux domaines de la théorie du chaos et de la théorie de la complexité (théorie des systèmes auto-organisateurs non linéaires) sont devenus des centres d'intérêt majeurs. Le réductionnisme semble être arrivé au bout de son cours et les conceptions de ce qui est vraiment fondamental sont en train de changer lentement. La vision euphorique d'une théorie finale, une « fin de la physique » envisagée par Stephen Hawking, semble céder le pas à une révolution de perspective nous rapprochant d'une prise de conscience qu'il existe de vastes domaines encore inexplorés susceptibles de stimuler les théoriciens.

Cosmophysique

La cosmophysique est la science qui a pour objet l'étude du comportement de la matière et du flux d'énergie dans les régions comprises à partir de 60 km au-dessus de la surface terrestre et se prolongeant jusqu'aux confins du système solaire. La majeure partie de cette région est occupée par un gaz ténu, à l'état de plasma, composé de particules chargées dont le comportement est gouverné par les champs magnétiques et électriques. La principale source d'énergie est le flux de plasma provenant du soleil : le vent solaire. Le vent solaire et le champ magnétique solaire déforment le champ magnétique terrestre qui épouse la forme d'une cavité ressemblant à une comète et appelée magnétosphère. Les scientifiques spécialistes de l'espace tentent de comprendre les interactions complexes qui se produisent entre les champs électriques et magnétiques et les électrons et les ions qui constituent l'environnement du plasma spatial. Les aurores boréales sont une manifestation de ces processus.

À la fin de la première moitié du 20^e siècle, on reconnaît déjà que les erreurs des boussoles de navigation et les ruptures de communications sont associées à l'apparition d'aurores boréales. Des études effectuées au cours de la Première Année polaire internationale (1882-1883) et de la Seconde année polaire internationale (1932-1933) favorisent des activités de recherches intensives. On considère que l'ère de la recherche spatiale moderne a commencé avec l'Année géophysique internationale (1957-1958), et depuis ce temps, les scientifiques canadiens sont à l'avant-garde de la recherche en cosmophysique. Une aire de lancement de fusées d'expérimentation est établie à Churchill au Manitoba, en 1957. Elle entraîne la création d'une famille canadienne de fusées d'expérimentation Black Brants, fabriquées par Bristol Aerospace. L'expérience acquise avec les fusées d'expérimentation a permis le perfectionnement des charges utiles embarquées dans les satellites canadiens. Parmi les plus remarquables, mentionnons celles qui ont volé à bord des engins spatiaux Alouette 1 et Alouette 2 placés en orbite dans la première moitié des années 60 ainsi que ISIS 1 et ISIS 2 lancés en 1969 et 1971 respectivement. Ces satellites ont permis d'obtenir des renseignements fondamentaux sur la structure de l'ionosphère et la nature des électrons et des protons énergétiques responsables des aurores boréales.

Les spatiologues canadiens ont acquis une renommée internationale grâce à leur contribution qui a permis d'accroître la connaissance de la nature de l'environnement plasmatique spatial et de l'origine des aurores boréales. Balfour Currie de l'Université de la Saskatchewan, l'un des pères de la cosmophysique canadienne, a contribué à la création d'une imposante équipe de recherche spécialisée dans l'étude des aurores polaires et de la propagation des ondes radioélectriques dans l'ionosphère, au cours de la période qui a suivi l'Année géophysique internationale. Colin Hines de l'Université de Toronto est considéré comme le pionnier de l'étude des ondes de gravité, des perturbations atmosphériques qui ont de profondes répercussions sur les régions de l'atmosphère comprises entre la troposphère et l'ionosphère. En 1961, en coopération avec W. Ian Axford, Hines introduit l'un des deux plans d'ensemble acceptés par les cosmologistes modernes servant à comprendre le transport et les pertes d'énergie mis en jeu dans le système magnétosphère-ionosphère.

Aujourd'hui, les cosmologistes canadiens font fonctionner des ensembles impressionnants de dispositifs de télédétection au sol (programme OPUS) mesurant l'interaction Soleil-Terre et lancent des charges utiles à bord de satellites étrangers (p. ex., les missions suédoises Viking et Freja et le programme japonais Akebono). L'Agence spatiale canadienne reçoit le mandat en 1989 de soutenir la science et la technologie spatiale au Canada et est maintenant responsable des frais d'expansion et des coûts opérationnels de la majeure partie des efforts de recherche au pays dans le domaine spatial. La plupart des chercheurs sont employés par des universités canadiennes et leurs travaux sont financés par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada.

Physique du globe

La physique du globe a pour objet la croûte terrestre, l'atmosphère et les océans. Bien que la terre, la mer et l'air soient souvent étudiés de façon isolée à l'intérieur de disciplines distinctes (géophysique, océanographie, météorologie), les recherches modernes sont souvent très multidisciplinaires. La physique de la croûte terrestre comporte des aspects à la fois académiques et appliqués. Les questions à la fine pointe de la recherche actuelle portent sur l'origine de la Terre, comment et avec quoi elle s'est formée, et sur les processus physiques et chimiques qui assurent son évolution. Le progrès scientifique peut-être le plus important du siècle passé en recherche géophysique est la vérification spectaculaire, depuis 1965, de l'hypothèse de la dérive des continents. Cette théorie de la tectonique des plaques a profité de l'aide apportée par les méthodes géophysiques de séismologie et de géomagnétisme (voir géologie).

Ces méthodes sont également employées, avec grand succès, dans l'exploration de la région crustale superficielle de la Terre en vue de déceler des gisements économiquement importants de pétrole et de métaux communs. Les méthodes électriques, dont beaucoup ont été mises au point dans des laboratoires canadiens, s'avèrent bien adaptées à la découverte de gisements de minéraux. Ces méthodes comprennent l'induction électromagnétique, la polarisation induite et les mesures de résistivité en courant continu. Les autres techniques géophysiques de portée industrielle majeure comprennent l'arpentage par sismique réflexion et sismique réfraction, et aussi les méthodes de mesure sur le terrain basées sur la détection d'infimes variations d'intensité des champs gravitationnel et magnétique terrestres. Dans tous ces domaines, le Canada a joué un rôle prépondérant grâce au développement et à la mise en oeuvre des nouvelles méthodologies.

Les sciences de l'atmosphère, souvent regroupées dans la météorologie, sont également caractérisées par un ensemble de considérations appliquées et fondamentales, présentant de nombreux aspects, comme les questions se rapportant aux processus détaillés responsables de la formation des précipitations (pluie, grêle et neige); les effets négatifs potentiels de l'augmentation de la concentration de carbone dans l'atmosphère; la sensibilité de l'atmosphère aux petits changements d'insolation et aux variations des teneurs de la stratosphère en ozone et en oxydes d'azote; et l'évaluation de la qualité de l'air, surtout en relation avec le problème des pluies acides. Récemment, des progrès considérables ont été réalisés dans la compréhension de l'hydrodynamique de l'atmosphère à l'échelle de la planète à l'aide de modèles mathématiques détaillés mis en oeuvre sur les plus puissants ordinateurs numériques disponibles. Les modèles de prévision météorologique numérique utilisés couramment pour les bulletins météorologiques (deux fois par jour) comptent parmi les retombées pratiques de cette recherche fondamentale. Le Service de l'environnement atmosphérique a joué un rôle prépondérant dans le développement et l'amélioration de ces modèles.

La science de l'océanographie possède de nombreuses similarités avec la géophysique de la croûte terrestre et la météorologie. Les physiciens en océanographie physique étudient les vagues et les courants à toutes les échelles spatiales et temporelles qui caractérisent les mouvements de la mer dans les principaux bassins océaniques. Les chimistes océanographes étudient la composition de la mer et, plus récemment, ont commencé à utiliser la concentration des éléments traces pour mettre en évidence les modèles de circulation océanique. Les océanographes biologistes s'intéressent aux systèmes vivants qu'abritent les océans.

La nécessité d'acquérir une meilleure compréhension des océans est apparue particulièrement claire à la suite des récentes tentatives infructueuses des Nations Unies de formuler un droit de la mer qui régirait l'exploitation des richesses minérales des fonds marins. Ce stimulant économique et celui produit par les programmes de recherches pétrolières au large va de pair avec une augmentation des préoccupations traditionnelles concernant la mer en tant que source de nourriture.

Optique

Le mot grec optikos signifiait à l'origine étude de l'oeil et de la vision. Aujourd'hui, l'optique a pour objet l'ensemble du spectre des ondes électromagnétiques : ondes hertziennes, micro-ondes, infrarouges, lumière visible, ultraviolets, rayons X et rayons gamma. L'optique classique porte surtout sur les lentilles, les miroirs, les réseaux et les instruments fabriqués à l'aide de ces éléments. Ces derniers peuvent être conçus et analysés à l'aide des théories classiques de la lumière, c'est-à-dire les théories géométrique et ondulatoire. Les principaux adeptes de la théorie géométrique furent Johannes Kepler (astronome allemand) et sir Isaac Newton (physicien et mathématicien anglais). Cette théorie admet qu'une source lumineuse émet des rayons de lumière qui se déplacent en ligne droite dans un milieu homogène. Quand le milieu change, les rayons sont réfléchis, réfractés ou les deux à la fois. Les dispositifs photographiques à trous d'épingle (sténopés) et les ombres des objets projetés par des faisceaux lumineux démontrent la validité de cette théorie.

Le principal défenseur de la théorie ondulatoire est Christian Huygens (scientifique danois). Cette théorie suppose qu'une source lumineuse émet des ondes qui se déplacent en forme de sphère. À chaque instant, chaque point sur le front d'ondes agit comme une nouvelle source secondaire qui émet de nouvelles ondes. Cette théorie permet d'étudier les phénomènes optiques d'interférence, de diffraction et de polarisation. L'optique a toujours été une composante très importante de la spectroscopie. Elle a joué un rôle vital dans l'étude des atomes et des molécules. Au Canada, Gerhard Herzberg a obtenu un prix Nobel (1971) pour ses travaux en spectroscopie moléculaire. (Voir aussi Les prix Nobel et le Canada.)

L'invention du maser et du laser par Charles Townes (physicien américain), N.G. Basov et A.M. Prokhorov (physiciens soviétiques), a revitalisé et révolutionné l'optique. Ces chercheurs ont mérité le prix Nobel de physique en 1964 pour leurs travaux dans ce domaine. Theodore Maiman (physicien américain) a construit le premier laser en 1960. Il existe de nombreux types de lasers. On les classe habituellement en se référant aux propriétés du milieu amplificateur, qui peut être un solide, un liquide, un gaz, un semi-conducteur ou un colorant. Des impulsions de très haute intensité peuvent être produites par des lasers au dioxyde de carbone à excitation transversale et à pression atmosphérique (CO₂ TEA). Le Centre de recherches pour la défense à Valcartier, au Québec, fait partie des pionniers et des inventeurs des lasers CO₂ TEA. On trouve au Canada quelques entreprises spécialisées dans le domaine des lasers dont Lumonics Inc., de renommée internationale. L'optique des fibres compte parmi les plus récents développements en optique. Les ondes lumineuses peuvent se propager à l'intérieur de fibres transparentes par réflexion interne totale. Le diamètre des fibres peut varier de quelques micromètres (monomode) à quelques centaines de micromètres (multimode). En raison de leur hautes fréquences, les ondes lumineuses dans le domaine visible ou le proche infrarouge peuvent transmettre beaucoup plus de renseignements que des courants électriques circulant dans des fils métalliques. Le Canada est l'un des chefs de file en optique de fibres. Beaucoup de recherches sont effectuées au Centre de recherches sur les communications.

Sur le plan commercial, Recherches Bell-Northern et la Compagnie des câbles Canada dominent le marché canadien. Le premier système numérique de télévision par câble à fibres optiques est implanté à London, en Ontario. Quelques autres systèmes précurseurs sont implantés aux quartiers généraux du ministère de la Défense nationale, à Ottawa (1976), au centre-ville de Montréal (1977), à Toronto (1978) et à Vancouver(1979). Les projets de Calgary-Cheadle en Alberta et de Élie-St.-Eustache au Manitoba sont deux systèmes récents et très perfectionnés.

Physique atomique et moléculaire

La physique atomique et moléculaire se rapporte à la compréhension de la nature physique des atomes et des molécules et à l'observation et à la compréhension des processus qui font intervenir un petit nombre de molécules et d'atomes, qu'ils soient neutres ou chargés. L'importance accordée au nombre restreint de particules permet de distinguer la physique atomique et moléculaire de la physique de l'état solide, de la mécanique statistique et de la thermodynamique ainsi que de la physique des plasmas. La discipline possède une frontière floue avec de nombreuses branches de la physique, de la chimie et de l'astrophysique. La finalité de la physique atomique et moléculaire consiste à établir les lois physiques qui gouvernent les processus atomiques et moléculaires observés.

Actuellement, il est généralement accepté que tous les phénomènes connus sont compatibles avec les lois de la mécanique quantique et de l'électrodynamique quantique. De nombreuses vérifications élégantes de ces lois ont été obtenues pour des systèmes physiques simples, mais l'application quantitative à des systèmes plus complexes se heurte à des difficultés d'ordre mathématique et calculatoire.

Le terme « électronique » est apparu la première fois pour décrire la branche de la physique issue de la découverte de l'électron par le physicien anglais J.J. Thomson en 1897. La discipline s'étend par la suite à l'identification des propriétés fondamentales des électrons individuels (p. ex., charge, masse, moment magnétique) et les propriétés des électrons libres dans des tubes à vide. Aujourd'hui, le terme a une connotation plus large, englobant l'étude, la conception et l'utilisation d'instruments, comme les tubes électroniques, les transistors, les circuits intégrés, dont le fonctionnement repose en grande partie sur les caractéristiques et le comportement des électrons. L'électronique joue un rôle de premier plan dans les communications et les ordinateurs.

La spectroscopie se rapporte à l'interaction entre la matière et le rayonnement. Au début, la discipline se limite à la partie visible du spectre et s'intéresse surtout aux spectres d'émission et d'absorption des atomes. Aujourd'hui, elle englobe tout le spectre électromagnétique et s'applique aux atomes, aux molécules et aux espèces chargées dans les phases gazeuse, liquide et solide. L'émission ou l'absorption de rayonnements par un système s'accompagne d'une transition entre deux niveaux d'énergie ou états quantiques du système et livre ainsi des renseignements sur la nature de ces états quantiques (voir Divisions de la chimie). Le spectre d'une substance est probablement sa propriété singulière la plus caractéristique. Ce fait explique l'utilisation répandue de diverses formes de spectroscopie dans l'analyse tant qualitative que quantitative.

Physique nucléaire et physique des particules

Le noyau atomique est un objet petit et dense qui représente presque toute la masse de l'atome. C'est E. Rutherford qui, en 1911, a démontré l'existence du noyau, mais la compréhension de sa composition ne survient que lorsque le physicien anglais James Chadwick découvre le neutron en 1932. Du coup, la structure du noyau, composé de neutrons et de protons, devient plus compréhensible. Les neutrons et les protons (appelés nucléons) sont liés dans le minuscule volume du noyau par une force dont le rayon d'action est très court, mais beaucoup plus intense que l'énergie mise en jeu dans les liaisons entre les atomes d'une molécule.

La fission et la fusion nucléaire constituent les manifestations les plus importantes de l'énergie nucléaire. Dans ces processus, une fraction de l'énergie nucléaire interne se transforme en énergie cinétique qui se manifeste finalement sous forme de chaleur (voir centrales nucléaires). Un élément chimique possède un nombre caractéristique de protons mais il y a une certaine latitude quant au nombre de neutrons qui peuvent être liés aux protons sous l'influence de l'interaction forte. La variation du nombre de neutrons engendre les isotopes. Plusieurs isotopes d'un élément chimique peuvent être tout à fait stables tandis que d'autres présentent une instabilité qui donne lieu à des phénomènes de désintégration radioactive. Certains radio-isotopes existent naturellement parmi les éléments lourds et de nombreux autres sont produits artificiellement. La médecine et l'industrie utilisent beaucoup ces radio-isotopes.

Un noyau peut avoir un certain nombre d'états excités possibles, différents l'un de l'autre par des quantités discrètes d'énergie nucléaire interne. Ces états peuvent subir une transformation radioactive sous l'effet perturbateur des interactions électromagnétiques internes ou de l'interaction faible qui reste néanmoins non négligeable. Ces excitations et transformations ont été largement étudiées dans le but de mieux comprendre la complexité de l'interaction forte. Bien que la structure du noyau puisse s'expliquer en faisant intervenir seulement deux particules, un grand nombre d'autres particules subatomiques ont été observées, étudiées et classifiées. Ces particules sont regroupées en trois familles : les baryons, les mésons et les leptons.

La famille des leptons se caractérise par son insensibilité à l'interaction forte. L'attribut le plus notable des baryons et des mésons est leur affinité pour l'interaction forte. Les baryons et les mésons semblent posséder une structure interne importante qui leur est particulière : la famille des baryons semble formée de différentes combinaisons de trois constituants fondamentaux appelés les quarks u, d et s. La famille des mésons est formée par la liaison de deux constituants, un quark et un antiquark. Les quarks semblent confinés ou liés en permanence et, par conséquent, il est impossible de les observer en tant que particules libres. L'hypothèse des quarks a reçu un appui important en 1974 et en 1977 avec les découvertes de mésons lourds de longue durée de vie, appelés mésons psi et upsilon, formés par la liaison de quarks lourds, appelés c et b, avec leurs antiquarks respectifs.

La théorie unifiée des interactions faibles et des interactions électromagnétiques constitue un concept très important en physique des particules. Selon cette théorie, l'interaction faible est associée aux particules environ cent fois plus massives que le proton. On pourra éventuellement observer ces particules dans les grands accélérateurs produisant des collisions entre électrons et positrons et entre protons et antiprotons. Ces machines sont actuellement en exploitation ou en construction en Europe et aux États-Unis.

Physique de la matière condensée

En physique de la matière condensée, les scientifiques scrutent les propriétés fondamentales et microscopiques de la matière dans ses états liquide ou solide, tout en étant sensibles aux aspects touchant les applications technologiques. Ainsi, ils veulent étudier l'organisation spatiale des constituants microscopiques, les atomes et leurs électrons, et comprendre leur réaction à l'influence d'agents externes tels que le froid ou la chaleur, la pression, la lumière, les champs électrique et magnétique, les particules ou radiations de toutes sortes, afin de mieux les contrôler à des fins utilitaires.

La physique de la matière condensée est un rejeton de la physique du solide, cette dernière ayant pris son envol dans l'après-guerre. L'intérêt prédominant en physique du solide a porté sur les matériaux cristallins dans lesquels les atomes sont disposés de façon bien ordonnée et forment un motif répétitif. Ceux-ci peuvent être classés selon leurs propriétés électroniques : les métaux, les isolants et les semi-conducteurs. Les métaux ont de bonnes propriétés mécaniques et sont d'excellents conducteurs d'électricité et de chaleur. On les utilise par exemple dans les câbles et les fils électriques. Les isolants, au contraire, sont de mauvais conducteurs et peuvent servir pour protéger contre les chocs électriques, dans les gaines de fils, ou comme isolant thermique dans les maisons. Les semi-conducteurs, dont les propriétés conductrices sont plutôt rébarbatives à l'état pur, auraient pu rester dans l'oubli n'eut été la découverte du rôle important des impuretés permettant d'ajuster leurs propriétés conductrices à volonté. C'est grâce à cela que se sont développés le transistor et le laser semi-conducteur qui ont révolutionné l'électronique et l'opto-électronique. Ces composants sont au cœur des communications modernes et des technologies spatiales, des ordinateurs, de l'électronique commerciale et de la microélectronique. On parle maintenant de nanostructures dont les éléments ont des dimensions à l'échelle du millionième de millimètre. Ces composants de haute technologie ont atteint le niveau quantique dans lequel les propriétés ondulatoires des électrons se manifestent. Par exemple, on étudie en ce moment les mémoires à un électron, c'est l'ultime miniaturisation.

Il y a aussi un travail intense sur la physique des électrons dans des couches à la surface ou aux interfaces de semi-conducteurs. Les effets Hall quantiques entiers ou fractionnaires, objet des prix Nobels de 1985 et 1998 respectivement, ont révélé des comportements inusités des électrons dans ces feuillets en présence d'un champ magnétique. Le premier est maintenant couramment utilisé comme standard électrique, comme à l'Institut des étalons nationaux de mesure du Conseil national de recherches du Canada, alors que le second a dévoilé l'existence d'entités nouvelles, des quasi-particules, dont la charge électrique est une fraction de celle des électrons qui en sont responsables. En opto-électronique, enfin, on anticipe l'avènement de transistors agissant sur la lumière plutôt que sur des électrons et permettant d'atteindre des vitesses d'opération ultimes. C'est la région d'Ottawa qui accueille la « Silicon Valley » canadienne.

La physique du solide s'est transformée en physique de la matière condensée dans les années 70, au Canada. Il existe en effet une grande affinité entre les liquides et les solides, entre les techniques de mesure et d'observation respectives. Il y a des similitudes entre les matériaux désordonnés, les matériaux amorphes (les verres) et les liquides. On peut établir un parallèle entre les superfluides, dont les écoulements se font sans friction, et les supraconducteurs, dans lesquels le courant électrique passe sans pertes, aux basses températures. Ces phénomènes collectifs, impliquant l'unisson de toutes les particules constitutives, ont des applications en cryogénie, dans les ordinateurs, dans la transmission de l'électricité et dans le transport (moteurs supraconducteurs, trains à lévitation magnétique, etc.). Les cristaux liquides, que l'on retrouve dans l'affichage de montres ou d'écrans d'ordinateurs portables, exhibent des propriétés caractéristiques à la fois du solide et du liquide. P.G. de Gennes, lauréat du prix Nobel de physique de 1991, a grandement aidé à disséminer l'appellation « matière molle » pour désigner l'ensemble des matériaux faisant le pont entre les liquides et les solides (les polymères, les colloïdes, etc.).

Cependant, il existe encore des états plus bizarres de la matière. On peut préparer depuis peu des matériaux macroporeux contenant des vides ou pores de la taille de la longueur d'onde de la lumière (le micron) et disposés de façon régulière. On peut anticiper leur utilisation comme cristaux photoniques permettant de contrôler la lumière. Le cristal photonique sûrement le plus inusité est un réseau optique obtenu en refroidissant par laser des atomes jusqu'à une température ultra-basse et en confinant ces derniers à l'aide d'un champ magnétique (prix Nobel de 1997). Dans cette expérience, les atomes ne sont pas liés par des forces électromagnétiques, comme dans les matériaux habituels, mais bien par le faisseau laser lui-même. La même technique a été utilisée pour observer la condensation Bose-Einstein, un condensé très peu dense d'atomes ayant des propriétés similaires aux superfluides. Cette condensation avait été prédite il y a fort longtemps par des théoriciens de la physique statistique. Ce n'est toutefois qu'au milieu des années 90 qu'il a été possible de la réaliser.

Beaucoup de matériaux ont dépassé le stade de la curiosité scientifique et s'approchent ou ont déjà franchi le seuil des applications. On peut penser au matériaux en couches (comme le graphite) ou aux polymères conducteurs, utilisés dans des piles, aux conducteurs organiques et aux céramiques supraconductrices (prix Nobel de 1987), aux nouveaux matériaux à base de carbone que sont les fullerènes et les nanotubes. Le fullerène (prix Nobel de 1996) consiste en une juxtaposition de molécules formées de 60 atomes de carbone agencés en sphère. Il tient son nom de Buckminster Fuller, l'architecte qui a conçu les dômes géodésiques (le pavillon des États-Unis à l'Expo 67) dont la forme rappelle celle des molécules du fullerène. Ce dernier peut devenir supraconducteur si on le combine à des atomes métalliques. Les nanotubes de carbone, quant à eux, sont formés de feuilles de graphite enroulées en cylindre et dont les bouts sont fermés par des demi-sphères de fullerène. On cherche à les utiliser dans des composants électroniques moléculaires. On s'intéresse aussi activement à la conversion de la lumière en électricité, utilisée dans les piles solaires, et au stockage d'énergie, comme le stockage de l''hydrogène dans les matériaux poreux. Le microscope à effet tunnel (prix Nobel en 1986), permettant de visualiser les atomes à la surface d'un matériau, et son cousin, le microscope à force atomique, sont des exemples de transfert technologique mettant en jeu des concepts quantiques fondamentaux vers des applications en science des matériaux, en chimie, en génie et en biologie.

L'effort de recherche en physique de la matière condensée au Canada est substantiel et à la fine pointe de l'art dans la plupart des activités décrites précédemment. Le Canada a joué un rôle de pionnier dans le développement et l'utilisation des neutrons et des positons pour sonder les matériaux. C'est ainsi que les travaux du physicien canadien Bertram Neville Brockhouse en spectroscopie de neutrons, aux Laboratoires de Chalk River, lui ont valu le prix Nobel en 1994. (Voir aussi Les prix Nobel et le Canada.)

Physique des plasmas

Un gaz ordinaire subit une transition vers un nouvel état appelé plasma lorsque ses atomes sont ionisés, c'est-à-dire quand ils se dissocient pour donner des ions positifs et des électrons négatifs. L'ionisation d'un gaz initialement neutre peut être provoquée par une décharge électrique, par chauffage ou par irradiation à l'aide d'ondes électromagnétiques courtes. Les gaz ionisés ne méritent le nom de plasma que s'ils comportent suffisamment de particules chargées pour produire leur propre champ électromagnétique qui affecte le mouvement de chaque électron et de chaque ion. Le comportement collectif résultant de ce champ électrique cohérent constitue une caractéristique propre aux plasmas. En moyenne, les plasmas demeurent électriquement neutres grâce au nombre suffisant d'électrons qui équilibrent les charges positives des ions. Depuis les études du chimiste américain Irving Langmuir sur les décharges électriques dans les années 20, la physique des plasmas est devenue une discipline de recherche importante.

Les plasmas sont présents partout dans l'Univers : les étoiles et la matière interstellaire sont à l'état de plasma; les objets astrophysiques comme les pulsars, les étoiles à rayons X, les quasars et les restes de supernovae présentent divers phénomènes propres aux plasmas. À haute altitude, de 70 à 500 km au-dessus de la surface de la Terre, se trouve une couche de plasma appelée ionosphère qui influe sur les radiocommunications à ondes courtes en réfléchissant les signaux électromagnétiques. L'ionosphère est la frontière inférieure d'un domaine plus vaste, la magnétosphère, où le plasma est soumis à l'influence du champ magnétique terrestre. La frontière externe de la magnétosphère est créée par l'interaction avec le flux de plasma en provenance du Soleil, appelé vent solaire. Ce vent limite le champ magnétique de la Terre et constitue une source d'énergie pour les phénomènes comme les aurores boréales. La foudre produit naturellement des plasmas et certains instruments comme les lampes fluorescentes, les tubes au néon, les postes de soudure à l'arc et les lasers à gaz mettent également en jeu des plasmas. La gravure des surfaces métalliques et le traitement des matériaux dans l'industrie de la microélectronique constituent des exemples d'applications techniques utilisant des plasmas.

Depuis le début des années 50, la quête de la fusion thermonucléaire contrôlée stimule des études poussées sur les plasmas produits en laboratoire. Une réaction thermonucléaire contrôlée constitue pour la physique un défi exceptionnel qui laisse miroiter une solution aux besoins énergétiques mondiaux. Le phénomène produit de l'énergie lors de la fusion d'isotopes légers d'hydrogène comme le deutérium (D) et le tritium (T). Cette réaction pourrait être entretenue dans un plasma dense et très chaud, à une température excédant les 100 millions de degrés. Dans la première des deux principales approches utilisées dans la recherche sur la fusion, le plasma est confiné par un champ magnétique à des densités d'environ 10¹⁴ particules par cm ³ pendant une durée de l'ordre de la seconde (fusion thermonucléaire contrôlée basée sur le confinement magnétique). La seconde approche s'appuie sur l'inertie de petites cibles D-T implosives atteignant une densité de 10²⁵ particules par cm³ pendant 10¹⁰ sec pour fournir le confinement et les conditions propices au démarrage de la fusion (fusion par confinement inertiel). Les cibles sont chauffées et « comprimées » par un faisceau laser ou ionique focalisé. Des expériences sur les plasmas produits en laboratoire ont permis la découverte d'importantes sources de radiations à faibles longueurs d'onde comme les sources de rayons X dans les plasmas créés par lasers et les générateurs d'hyperfréquences accordables tels que les gyrotrons et les lasers à électrons libres.

Sociétés

L'Association canadienne des physiciens, société nationale des physiciens canadiens, possède un effectif de 1800 membres et de 30 corporations. L'ACP a été fondée en 1945 et constituée en société en 1951. Elle publie un bulletin tous les deux mois, La physique au Canada, et organise annuellement un congrès de trois jours pour discuter des recherches en cours.

Depuis 1945, la Médaille de l'Association canadienne des physiciens est décernée annuellement pour récompenser des réalisations remarquables en physique et, depuis 1970, la Médaille Herzberg pour des réalisations exceptionnelles par un physicien de 38 ans ou moins. De temps à autre, l'ACP produit des rapports spéciaux sur l'état de la physique au Canada. Le Journal canadien de physique est la revue nationale. De nombreux physiciens sont membres de l'Association canadienne-française pour l'avancement des sciences au Québec et dans les communautés francophones d'Amérique du Nord. L'ACFAS, qui compte 2500 membres, organise un congrès annuel auquel participent 2000 chercheurs et étudiants qui se rassemblent pour assister à environ 1000 exposés scientifiques.

La plupart des physiciens canadiens sont également des membres actifs de nombreuses sociétés scientifiques en physique et en astronomie qui forment l'American Institute of Physics. Les physiciens canadiens prennent une part active dans des organismes internationaux : le Conseil international des unions scientifiques et l'Union internationale de physique pure et appliquée qui fait la promotion de la coopération internationale en physique et qui conclut des accords internationaux sur l'utilisation des symboles, des unités, de la nomenclature et des normes. Des échanges scientifiques ont permis la collaboration de nombreux groupes de recherche en physique nucléaire et en physique des particules, rendant possible l'utilisation d'accélérateurs couteux dans des laboratoires nationaux en Europe, aux États-Unis et au Canada (EACL et TRIUMF).

Des physiciens canadiens ont reçu des distinctions décernées par des organismes nationaux et internationaux. Parmi les physiciens qui ont occupé des postes de président de la Société royale du Canada, on compte Gerhard Herzberg, H.E. Duckworth, J.T. Wilson, J.L. Kerwin et R.E. Bell. Au cours de la dernière décennie, un certain nombre de physiciens canadiens ont été faits membres de la Royal Society (de Londres), dont Z.S. Basinski, R.E. Bell, B.N. Brockhouse, A.E. Douglas, G. Herzberg, W.B. Lewis, A.E. Litherland, M.H.L. Pryce, D.A. Ramsay, B.P. Stoicheff, H.L. Welsh et J.T. Wilson.