Cheminement en cercles
Le fait que les particules chargées cheminent en cercle autour des lignes de champ était bien connu de J.J. Thomson lorsqu' il a expérimenté les faisceaux d'électrons et d'ions dans un champ magnétique. En 1930 Ernest Laurence de Berkeley a appliqué ce mouvement circulaire à une machine accélérant les ions à hautes énergies, qu'il a baptisé "cyclotron." Plus les particules possèdent une grande énergie, plus elles décrivent de plus grands cercles. Ainsi au fil des années, et comme les accélérateurs ont été concernés par des énergies plus élevées, les cyclotrons et leurs successeurs ont considérablement augmenté de taille.
Il faut aux particules parcourant le Tevatron au Fermilab, en Illinois, un diamètre d'environ un mille.Une machine beaucoup plus grande, le SSC ( "Superbe-Collider Supraconducteur"), a commencée à être construite au Texas mais n'a pas été terminée par manque de fonds. Il y a aussi des accélérateurs géants du même genre au service européen du CERN près de Genève, dans des tunnels profondément enterrés, et ils s'étendent à travers la frontière Franco-Suisse.
L'aimant du Fermilab a la forme d'un énorme anneau dont la section transversale ressemble à la lettre "c". À l'intérieur du "c", où le champ magnétique est intense, se trouve le tube où les protons (et les antiprotons) sont accélérés (le "c" l'entoure comme la jante d'une roue de bicyclette ). Ce tube a aussi la forme d' un anneau d'environ un mille de diamètre, et il y régne le vide. L'aimant est en fait un électro-aimant, et lorsque les protons sont accélérés et gagnent en vitesse et en énergie, son courant électrique est progressivement augmenté, renforçant le champ magnétique pour maintenir les orbites des protons dans le tube.
Débuts de l'histoire de l'invariance adiabatique :
Un détour néscessaire à la compréhension des atomes
La notion d'invariance adiabatique est rattachée aux premières années de la théorie du quantum. La lumière émise par les atomes (ou absorbée par ceux-ci) présente des couleurs tout à fait définies - mais seules quelques couleurs sont impliquées. (pour plus de détails, voir ici.) Vers 1910, les physiciens se sont rendu compte que ce comportement s'accompagnait de modifications des lois de la physique aux abords de l'échelle atomique.
Les atomes se composent de légers électrons, négatifs, et de noyaux plus lourds, positifs. Leur attraction électrique réciproque est liée à la distance comme pour la pesanteur, ce qui suggère que les électrons sont satellisés en ellipses comme les planètes autour du soleil. Cependant, un autre effet était prévisible : les processus électromagnétiques devaient aussi faire perdre constamment de l'énergie aux électrons de par leurs "émissions" dans l'espace, comme de petites stations radio-miniature. Apparemment, certaines orbites étaient indemnes de telles pertes, et la lumière n'est seulement émise que lorsque électron saute d'une couche à l'autre.
Concernant l'émission de couleurs, le modèle le plus simple est celui de l'hydrogène, pour lequel il y a une formule remarquablement précise, découverte vers1885 par un professeur de lycée suisse nommé Johannes Balmer. En 1914 le jeune physicien danois Niels Bohr (lui et son frère Harald, mathématicien, étaient les vedettes de l'équipe du football du Danemark) découvrit ce qui semblait une explication pour les formules. Bohr a prouvé que la formule de Balmer s'applique naturellement et exactement, et qu'elle peut être tenue pour une nouvelle loi de nature. Cette loi dit que les orbites d'électron sont stables si les "variables d'action" associées à leur mouvement périodique sont un multiple exact (c.-à-d. 1.2.3... fois) d'une nouvelle constante physique d'ailleurs précédemment connues pour d'autres effets "quantiques" à l'échelle atomique. Paul Ehrnfest étendit cette règle aux autres atomes, dont les multiples électrons se comportent comme de multiples planètes.
Albert Einstein attira alors l'attention sur le pendule dont la corde se raccourcit graduellement: son "invariable adiabatique", le produit E fois T, est presque constant. Il se pourrait, a-t-il suggéré, qu'une quantité qui reste adiabatique à la grande échelle de la nature soit exactement conservée à l'échelle atomique.
Cela a mené à la théorie primitive du quantum de Sommerfeld, pour l'hydrogène et les atomes d'hydrogène. Mais les résultats de Max Born les émissions d'hélium (deux électrons) ne concordaient pas. La bonne théorie "de la mécanique ondulatoire" de Schroedinger, Heisenberg et Born, permit en 1925-6 de remplacer le schéma simpliste (et non expliqué) de Bohr, avec une approche complètement différente.
Le retour de l'invariance adiabatique :
Un outil utile à la compréhension des plasmas
L'invariance adiabatique refit surface des décennies plus tard, avec l'étude des déplacements dans l'espace des ions et des électrons. Comme l'histoire de Birkeland et de Stoermer le montre, les scientifiques scandinaves cherchant à comprendre le phénomène des aurores furent particuliérement intéréssés. L'un d'entre eux, Hannes Alfvén (prix 1970 Nobel) qui en1950 montra dans son livre "Électrodynamique cosmique" que dans des conditions appropriées une certaine combinaison mathématique des propriétés des ions et des électrons était presque une constante.
Il ne s'était pas apparemment rendu compte qu' il s' agissait d'une invariable adiabatique comme définie par Ehrenfest : ceci a été précisé à peu près près en même temps par le physicien russe Lev Landau (Nobel, 1962) et Solomon Lifshitz, comme un exemple représentatif pour les étudiants dans leur manuel sur la théorie de champs.
Une "seconde" invariable adiabatique, aussi importante pour la théorie des radiations capturées par le champ terrestre, a été calculée par Grad, Longmire et Rosenbluth en étudiant le confinement du plasma en laboratoire, et une "troisième" invariable fut présentée peu après par Northrop et Teller.
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