Depuis 2004, mes travaux se sont développés au sein de deux axes thématiques assez distincts de la recherche en didactique de la physique : le premier s'inscrit dans la continuité de ma thèse et se pose comme une contribution à l'exploration des liens entre histoire de la physique, recherche en didactique et enseignement ; le second concerne un domaine de la recherche en didactique encore peu exploré et vise à éclairer quelques questions liées à l'apprentissage de la cinématique relativiste. Ce second axe de recherche s'est développé à la suite de l'obtention d'un contrat ANR-blanc en mai 2009 (ANR EVEILS) dont la visée est le développement de scénarios d'apprentissage adaptés à un environnement virtuel immersif 3D. Derrière l'apparente disjonction de ces deux orientations, se cache un objectif commun. Dans les deux cas en effet, les difficultés des élèves (et des étudiants) et les raisonnements qu'ils mettent en œuvre pour résoudre telle ou telle situation physique constituent des éléments d'orientation pour l'élaboration de scénarios didactiques qui, dans un cas, vont se donner pour but d'aborder la physique par son histoire, dans l'autre cas, vont permettre d'approcher certains aspects de la physique relativiste (non-simultanéité des évènements, déformation spatiale des objets...) à travers l'utilisation d'un environnement virtuel immersif 3D. Des questions liées à l'évaluation de l'impact de la mise en œuvre de ces scénarios sur l'apprentissage émergent dans un cas comme dans l'autre.

La Théorie de la Relativité (TRR), est une théorie particulièrement contre-intuitive dont les implications sont inaccessibles à l'expérience sensible humaine ; ce qui pose un certain nombre de difficultés de compréhension aux étudiants. Cependant, la Réalité Virtuelle (RV) offre une approche intéressante en permettant à un utilisateur d'être immergé et d'interagir dans un monde virtuel où la vitesse de la lumière est ramenée à 1 m/s. Les phénomènes relativistes deviennent ainsi directement accessibles par ses sens. Cette caractéristique, point départ de nos travaux, permet alors d'appréhender les phénomènes relativistes par une expérience " par la pratique ". L'enjeu de notre travail porte plus précisément sur la définition de moyens et de méthodes intégrés dans une plate-forme immersive permettant d'appréhender les phénomènes relativistes. Dans ce contexte, nous proposons, tout d'abord, des méthodes novatrices pour simuler les phénomènes relativistes sur un nombre quelconque d'objets en mouvement arbitraire et tenant compte de la dynamique relativiste des objets dans la scène, notamment durant leurs interactions. Nous nous focalisons sur les effets qui déforment les objets vus par l'observateur, à savoir le délai de propagation des photons, la relativité des longueurs et l'effet d'aberration. Nous définissons ensuite des méthodes pour intégrer une simulation relativiste dans un environnement immersif basé intrinsèquement sur un monde newtonien. Nous proposons également une plate-forme expérimentale dans laquelle sont intégrées des méthodes d'interaction utilisées pour mettre en scène un " jeu sérieux ", ici un billard relativiste. Enfin, nous démontrons la portée de notre outil expérimental par deux voies : l'une concerne l'utilisation de l'application dans des évaluations de didactique et l'autre concerne un exemple d'extension de l'outil pour mettre en lumière un autre aspect de la Physique relativiste : la relation entre vitesse et énergie.

La Théorie de la Relativité (TRR), est une théorie particulièrement contre-intuitive dont les implications sont inaccessibles à l'expérience sensible humaine ; ce qui pose un certain nombre de difficultés de compréhension aux étudiants. Cependant, la Réalité Virtuelle (RV) offre une approche intéressante en permettant à un utilisateur d'être immergé et d'interagir dans un monde virtuel où la vitesse de la lumière est ramenée à 1 m/s. Les phénomènes relativistes deviennent ainsi directement accessibles par ses sens. Cette caractéristique, point départ de nos travaux, permet alors d’appréhender les phénomènes relativistes par une expérience « par la pratique ». L'enjeu de notre travail porte plus précisément sur la définition de moyens et de méthodes intégrés dans une plate-forme immersive permettant d'appréhender les phénomènes relativistes. Dans ce contexte, nous proposons, tout d’abord, des méthodes novatrices pour simuler les phénomènes relativistes sur un nombre quelconque d'objets en mouvement arbitraire et tenant compte de la dynamique relativiste des objets dans la scène, notamment durant leurs interactions. Nous nous focalisons sur les effets qui déforment les objets vus par l'observateur, à savoir le délai de propagation des photons, la relativité des longueurs et l'effet d'aberration. Nous définissons ensuite des méthodes pour intégrer une simulation relativiste dans un environnement immersif basé intrinsèquement sur un monde newtonien. Nous proposons également une plate-forme expérimentale dans laquelle sont intégrées des méthodes d'interaction utilisées pour mettre en scène un « jeu sérieux », ici un billard relativiste. Enfin, nous démontrons la portée de notre outil expérimental par deux voies : l'une concerne l'utilisation de l'application dans des évaluations de didactique et l'autre concerne un exemple d'extension de l'outil pour mettre en lumière un autre aspect de la Physique relativiste : la relation entre vitesse et énergie. / The Theory of Special Relativity (TSR) is a particularly counterintuitive theory. Its implications are, by nature, out of reach by human experience. Therefore we cannot perceive its effects directly, thus raising problems of comprehension for the students confronted to it. However, Virtual Reality (VR) enables us to overcome this limitation by immersing a user into a world where the velocity of light is reduced to 1 m/s. As a result, the relativistic phenomena become directly perceivable through our senses. This possibility, which is the cornerstone of our work, brings a unique way to apprehend the relativistic phenomenon trough a "hands-on" experiment.In this context, we propose, first, innovative methods to include relativistic effects in simulation containing any number of objects moving in an arbitrary direction and velocity and taking into account the relativistic dynamics of the objects, including object-to-object interaction. We focused on the relativistic phenomenon involved in the deformation of objects: the delay of propagation of the photons from the light source to the observer, as well as the relativity of length and the aberration of light. We describe, second, methods to integrate the simulation techniques, previously introduced, into an immersive environment intrinsically based on Newtonian physics. We also provide interaction methods and a concrete application in a serious game framework: a relativistic carom billiard. Finally, we demonstrate the possibilities of our platform are demonstrated in two ways: one tackles usage in the context of learning evaluation and the other is an extension of the tool to access new pieces of information relevant to TSR, such as the force profile used to launch an object with a relativistic velocity.

Nous nous intéressons dans cette thèse à un aspect assez peu documenté de l'histoire de la théorie de la relativité restreinte, la recherche d'une vérification expérimentale de ses prédictions sur la variation de l'inertie en fonction de leur vitesse. Nous complétons les études historiques antérieures sur les expériences de Kaufmann (1906) et de Bucherer (1908), et montrons que la vérification de la formule de Lorentz-Einstein constitue encore un enjeu expérimental après 1911. Nous étudions plus particulièrement les recherches dirigées par Charles-Eugène Guye en collaboration avec ses étudiants Simon Ratnowsky (1907-1910) et Charles Lavanchy (1913-1915). Nous montrons que la seconde phase de ce travail est très largement considérée dans les années 1920 comme la vérifiation expérimentale la plus précise de la formule de Lorentz-Einstein. Nous utilisons la méthode de réplication, appliquée à l'expérience de Guye et Lavanchy. La très grande maîtrise de l'émission cathodique, associée à une méthode d'investigation spécifique, leur permet de surmonter toutes les difficultés identifiées alors comme préjudiciables au succès de ce type d'expérience.

Nous montrons qu’un modèle pour une théorie des champs à base d’automate cellulaire quantique est compatible avec une relativité restreinte déformée. En asso- ciant les lois de la physique à la règle d’évolution de l’automate, nous obtenons une version du principe de relativité où les états évoluant sur la grille de l’automate sont sujets à des transformations de Lorentz modifiées. Nous montrons ensuite que les déformations non-linéaires à l’espace des impulsions et des énergies mèneraient à une relativité de la localité et, dans des condition appropriées, produiraient un renversement de l’effet relativiste de contraction des longueurs. Nous considérons également les simulations de la physique sur calcul quantique d’un point de vue philosophique, demandant si notre monde pourrait faire partie d’une telle simulation et voyant comment des observations provenant de l’extérieur pourraient agir sur la simulation. / We show that a quantum field model based on a quantum cellular automaton requires a deformed special relativity. By associating the laws of physics with the automaton evolution rule, we obtain a version of the relativity principle where states evolving on the automaton must transform according to modified Lorentz transforma- tions. We then show that a non-linear momentum and energy space gives rise to the phenomenon of relative locality and that, under appropriate conditions, the relativistic length contraction effect must be reversed. We also consider simulations of physics on a philosphical level, asking if we might live inside such a simulation and seeing how observers from outside might interact if they attempt to observe us in such a context.

Notre thèse étudie la relation entre les mécaniques classique et relativiste. Il est généralement supposé, à partir de l’hypothèse des petites vitesses, que la mécanique classique correspond à la mécanique relativiste dans les cas où la vitesse des objets est petite par rapport à la vitesse de la lumière. Cette position nous semble inadéquate pour la simple raison que la mécanique classique ne peut être restreinte au seule domaine des petites vitesses. Nous proposons l’hypothèse que les deux mécaniques ont une structure commune et que chacune se distingue sous certaines conditions. Pour appuyer cette hypothèse, nous proposons une axiomatisation de la mécanique suffisamment générale pour servir de structure commune aux mécaniques classique et relativiste. Cette axiomatisation comporte une théorie de la relativité qui précise comment les quantités relatives sont reliées entre elles lorsque déterminées par rapport à différents référentiels, et les lois du mouvement qui précisent comment les forces exercées sur un objet détermine son mouvement. Cette mécanique générale est déterminée à deux constantes près et c’est en déterminant la valeur de ces constantes qu’apparaît le bris de la structure commune qui génère la mécanique classique d’une part et la mécanique relativiste d’autre part. / Our thesis studies the relationship between classical and relativistic mechanics. It is generally assumed, based on the assumption of small velocities, that classical mechanics corresponds to relativistic mechanics in cases where the speed of objects is small compared to the speed of light. This position seems inadequate to us, for the simple reason that classical mechanics cannot be restricted to the realm of small velocities alone. We propose the hypothesis that the two mechanics have a common structure, and that each can be distinguished under certain conditions. To support this hypothesis, we propose an axiomatization of mechanics that is sufficiently general to serve as a common structure for both classical and relativistic mechanics. This axiomatization includes a theory of relativity that specifies how relative quantities are related to each other when determined with respect to different reference frames, and laws of motion that specify how forces exerted on an object determine its motion. This general mechanics is determined to within two constants, and it is by determining the value of these constants that the common structure that generates classical mechanics on the one hand and relativistic mechanics on the other is broken down.

Dans cette thèse je me suis intéressé au caractère relativiste de matériaux topologiques tridimensionnels : les semi-métaux de Weyl et les isolants topologiques. Après une introduction aux états de surfaces et aux matériaux topologiques, je discute leurs propriétés de covariance sous les rotations trigonométriques et hyperboliques. Ces transformations me permettent de traiter les équations du mouvement d'un électron dans un champ magnétique ou à la surface, sous l'influence d'un champ électrique ou d'une inclinaison de la relation de dispersion. En première partie, je l'illustre dans le cas de la réponse magnéto-optique des semi-métaux de Weyl, en présence d'une inclinaison. Ces calculs sont en lien avec ma collaboration avec les expérimentateurs du LNCMI à Grenoble pour la caractérisation de la structure de bande de Cd₃As₂ où l'on montre que ce matériau est un semi-métal de Kane et non un semi-métal de Dirac dans la gamme de potentiels chimiques expérimentalement accessible. L'autre partie de cette thèse porte sur les états de surface des isolants topologiques où l'on montre qu'il existe des états de surface massifs au-delà de l'état de surface chiral. Ces états semblent avoir été observés par des études en ARPES d'échantillons de Bi₂Se₃ et Bi₂Te₃ oxydés et par des mesures de transport sur HgTe déformé. J'ai ainsi eu l'occasion de travailler avec les expérimentateurs du LPA à Paris sur le comportement des états de surface de HgTe sous forts effets de champ. Je termine par une discussion des états à l'interface entre un semi-métal de Weyl et un isolant dans le cas où le gap de ce dernier est suffisamment petit pour observer l'effet d'un champ magnétique et d'une inclinaison de la relation de dispersion sur les états de surface. / During my PhD studies I focused on the relativistic properties of threedimensional topological materials, namely Weyl semimetals and topological insulators. After introducing surface states and topological materials I discuss their covariance in trigonometric and hyperbolic rotations. These transformations help to solve the equations of motion of an electron in a magnetic field or at the surface with an applied electric field or with a tilt in the band dispersion. In a first place, I illustrate these transformations for the magneto-optical response of tilted Weyl semimetals. This work is related to my collaboration with experimentalists at LNCMI, Grenoble for characterizing the band structure of Cd₃As₂ where we show that this material is a Kane semi-metal instead of a Dirac semi-metal in the experimentally accessible range of chemical doping. The other part of this thesis is concerned with the surface states of topological insulators. I show that massive surface states can also exist in addition to the chiral surface state due to band inversion. Such states may have already been observed in ARPES measurement of oxidized Bi₂Se₃ and Bi₂Te₃ and in transport measurement of strained bulk HgTe. I show the work we performed with experimentalists at LPA, Paris on the behavior of HgTe surface states for strong field effects. Finally, I discuss the states at the interface of a Weyl semimetal and a small gap insulator. In this situation, an applied magnetic field or the tilt of the band dispersion can strongly affect the observed surface states.

Nous nous intéressons dans cette thèse à un aspect assez peu documenté de l'histoire de la théorie de la relativité restreinte, la recherche d'une vérification expérimentale de ses prédictions sur la variation de l'inertie en fonction de leur vitesse. Nous complétons les études historiques antérieures sur les expériences de Kaufmann (1906) et de Bucherer (1908), et montrons que la vérification de la formule de Lorentz-Einstein constitue encore un enjeu expérimental après 1911. Nous étudions plus particulièrement les recherches dirigées par Charles-Eugène Guye en collaboration avec ses étudiants Simon Ratnowsky (1907-1910) et Charles Lavanchy (1913-1915). Nous montrons que la seconde phase de ce travail est très largement considérée dans les années 1920 comme la vérifiation expérimentale la plus précise de la formule de Lorentz-Einstein. Nous utilisons la méthode de réplication, appliquée à l'expérience de Guye et Lavanchy. La très grande maîtrise de l'émission cathodique, associée à une méthode d'investigation spécifique, leur permet de surmonter toutes les difficultés identifiées alors comme préjudiciables au succès de ce type d'expérience. / We focus on an aspect of the history of special relativity theory that has not received much attention yet, namely the search for an experimental verification of the relativistic velocity dependency of inertia. Former historical studies on Kaufmann's 1906 and Bucherer's 1908 experiments are pursued. It is shown that verifying Lorentz-Einstein's formula is still a challenge after 1911. We concentrate here on Charles-Eugène Guye's works with students Simon Ratnowsky (1907-1910) and Charles Lavanchy (1913-1915). The second experiment is shown to be considered as the most precise verification of Lorentz-Einstein's formula by a large number of 1920s physicists. The replication method is used to probe Guye and Lavanchy's experiment. They are able to solve every then known difficulty in successfully performing such an experiment, through a great mastership of the crucial issue of cathode ray emission, together with a specific investigation method.