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  • Le Saint Graal de la Physique Théorique

    Posté le 4 janvier 2014

    Univers_ElegantLe gros problème de la physique moderne est que notre compréhension de l’Univers est basée sur 2 théories qui ne s’accordent pas. Einstein lui-même n’a pas réussi à résoudre ce problème qui l’a occupé jusqu’à la fin de sa vie.

    Aujourd’hui, environ un siècle plus tard, l’objectif d’unification de Einstein est devenu le St Graal de la physique.

    L’unification est la formulation d’une loi qui pourrait décrire l’Univers à partir d’une seule équation. Les physiciens pensent que cette équation existe car, au cours des 200 dernières années, notre compréhension de l’Univers nous a donné des explications variées qui convergent toutes vers un point.

    La quête de l’unification a commencé en 1665 lorsque Newton a unifié le ciel et la Terre en montrant que le mouvement des planètes, les marées et la chute d’un fruit ici sur Terre (la célèbre pomme) sont gouvernés par les mêmes lois.

    Einstein, avec sa théorie de la relativité générale (1916), a unifié l’Espace et le Temps dans un seul Espace-Temps. Comme la surface d’un trampoline, le tissu de l’Espace-Temps est déformé et étiré par les objets lourds (comme les planètes et les étoiles). C’est cette déformation ou courbure de l’Espace-Temps qui crée la gravité.

    Malgré son succès, Einstein n’était pas satisfait. Il s’est alors penché sur un objectif encore plus important : unifier la gravitation avec la seule autre force connue à l’époque. L’électromagnétisme. Cette force était déjà le fruit de l’unification entre l’électricité et le magnétisme qui avait été accomplie par James Clerk Maxwell.

    Unifications

    La difficulté concernant l’unification entre la gravitation et l’électromagnétisme est que la force électromagnétique est beaucoup plus forte que la force de gravitation : des milliards de milliards de fois plus forte. Pour comprendre, sachez que chacun de nos atomes et des atomes qui composent le sol sont constitués d’une couche externe de charge négative. Lorsque nos atomes entrent en contact avec le sol, ces charges électriques se repoussent avec une telle force qu’une simple petite parcelle peut résister à la gravité de la Terre tout entière et nous empêcher de passer à travers. Au niveau des atomes, la force de gravitation est vraiment extrêmement faible.

    A cette époque, dans les années 1920, un groupe de jeunes scientifiques a volé la vedette à Einstein. Menés par le physicien danois Niels Bohr, ces scientifiques avaient une vision de l’Univers si étrange qu’elle rendait la science-fiction insipide.
    Les atomes, qui étaient considérés comme les plus petits constituants de la nature, consistaient en fait de particules encore plus petites : le noyau de protons et de neutrons autour duquel orbitent les électrons. Et les théories de Einstein et Maxwell ne pouvaient pas expliquer la manière dont ces particules interagissaient entre elles à l’intérieur de l’atome.

    Vers la fin des années 1920, tout a changé. Au cours de ces années, les physiciens ont développé une nouvelle théorie appelée “mécanique quantique” qui pouvait décrire ce royaume microscopique avec grand succès. Le problème est que cette théorie était si radicale qu’elle a complètement bouleversé notre vision de l’Univers : les théories de Einstein exigent que l’Univers soit ordonné et prévisible mais Niels Bohr et ses collègues proclamaient que le monde est un jeu de hasard à l’échelle des atomes. Au niveau atomique, ou quantique, l’incertitude règne en maitre. Le mieux que l’on puisse faire, selon la mécanique quantique, est de prédire la probabilité d’un résultat par rapport à un autre. Cette image de la réalité est tellement troublante que si les effets de la mécanique quantique étaient perceptibles dans notre monde de tous les jours, vous pourriez croire que vous êtes devenus fous.

    Einstein ne voulait pas y croire, car, comme il le dit dans sa célèbre citation, “Dieu ne joue pas aux dés”. Mais depuis plus de 80 ans, la mécanique quantique a montré avec succès que l’étrange et le bizarre sont typiques du fonctionnement de notre Univers à des échelles extrêmement petites. Jusqu’à maintenant, aucune prédiction de la mécanique quantique n’a été contredite par l’observation. Aucune.

    Conference_de_Solvay

    Dans les années 1930, les scientifiques ont découvert que la gravitation et l’électromagnétisme n’étaient pas les seules forces à régir l’Univers : en sondant la structure de l’atome ils ont découvert 2 autres forces. La première, appelée force nucléaire forte, agit comme une superglue qui maintient la cohésion du noyau des atomes en liant les protons et les neutrons. L’autre, appelée force nucléaire faible, permet aux protons de se transformer en neutrons en émettant un rayonnement (radioactivité).

    Au niveau quantique, la force avec laquelle nous sommes le plus familier est complètement éclipsée par l’électromagnétisme et les 2 autres forces nucléaires.

    Les forces nucléaires forte et faible vous paraissent peut-être obscures mais vous êtes conscients de leur puissance : le 16 juillet 1945, cette puissance a été révélée par la détonation de la première bombe atomique. Avec cette explosion, les scientifiques ont libéré la force nucléaire forte, celle qui lie les protons et les neutrons à l’intérieur du noyau de l’atome. En cassant les liens de cette glue et en provoquant la fission de l’atome, une quantité incroyable d’énergie est libérée.

    Et la gravitation ? Où se situe-t-elle au niveau quantique ? La mécanique quantique nous dit comment toutes les forces de la nature fonctionnent au royaume de l’infiniment petit, à l’exception de la force de gravitation.

    Pendant des décennies, toutes les tentatives visant à décrire la force gravitationnelle dans le même langage que les autres forces (le langage de la mécanique quantique) ont échoué.

    Einstein a continué sa quête de l’unification de la gravitation avec l’électromagnétisme sans trop s’intéresser aux avancées de la physique en général. Au moment de la mort de Einstein, le 18 avril 1955, presque qu’aucun physicien n’était engagé dans cette quête d’unification. La physique s’est divisée en 2 camps : un qui utilise la relativité générale pour étudier les objets lourds et massifs comme les étoiles, les galaxies et l’Univers dans son ensemble, et un autre qui utilise la mécanique quantique pour étudier les objets minuscules comme les atomes et les particules. Malgré cela, nous avons fait d’énormes progrès dans la compréhension de l’Univers mais il y a des lieux étranges du cosmos qui ne seront jamais complètement compris tant que nous n’aurons pas de théorie unifiée.

    L’exemple le plus évident, ce sont les profondeurs des trous noirs. C’est en 1916 qu’un astronome allemand nommé Karl Schwarzschild a proposé pour la première fois ce que nous appelons “trou noir”. Alors en poste sur les lignes de front pendant la première guerre mondiale, il a résolu les équations de la relativité d’Einstein d’une manière nouvelle et déroutante. Entre les calculs des trajectoires d’artillerie, il a compris qu’une énorme masse, telle que celle d’une étoile extrêmement dense, concentrée dans une zone suffisamment petite, déformerait le tissu de l’Espace-Temps si sévèrement que rien, même pas la lumière, ne pourrait échapper à son attraction gravitationnelle. Pendant des décennies, les physiciens sont restés sceptiques. Mais aujourd’hui, les télescopes spatiaux ont découvert des régions possédant une très forte attraction gravitationnelle que la plupart des scientifiques reconnaissent être des trous noirs. La théorie de Schwarzschild semble bien décrire la réalité.

    Trou_noir

    Voici donc la question : si vous essayez de comprendre ce qui se passe dans les profondeurs d’un trou noir, utilisez-vous la relativité générale parce que l’étoile est incroyablement lourde ou bien la mécanique quantique parce qu’elle est incroyablement minuscule ? Eh bien… C’est tout le problème. Vu que le centre d’un trou noir est à la fois minuscule et lourd, vous ne pouvez pas faire autrement que d’utiliser les 2 théories en même temps. Mais lorsque vous utilisez les 2 théories dans le domaine des trous noirs, elles entrent en conflit, elles s’effondrent, elles donnent des prédictions insensées.

    La solution à ce problème pourrait bien être la théorie des cordes. L’idée de base de cette théorie est que tout est composé d’un seul ingrédient : de minuscules (incroyablement minuscules) brins d’énergie appelés “cordes”. Tout comme les cordes d’un violon ou d’un violoncelle peuvent créer une variété de notes de musique, ces minuscules cordes vibrent d’une multitude de manières différente donnant naissance à tous les constituants de la nature. Les différentes manières dont les cordes vibrent représentent les différents types de particules. Chaque “note” représente une particule différente.

    L’union des différentes forces et particules est obtenue parce qu’elles proviennent de différents types de vibrations de la même corde de base. C’est une idée simple qui a des conséquences de grande envergure.

    Cette théorie est très séduisante mais également controversée : si elles existent, les cordes sont si petites qu’il y a peu d’espoir d’en voir une. Et si vous ne pouvez pas tester la théorie des cordes, ce n’est pas de la science, c’est de la philosophie.

    Il se pourrait que nous soyions sur le point de réaliser le rêve d’unification de Einstein avec la théorie des cordes. Mais d’où vient cette théorie audacieuse et étrange ? Comment cette théorie parvient-elle à l’unification ultime des lois de l’infiniment grand et de l’infiniment petit ? Comment pourrons-nous découvrir si elle est exacte ?

    Les réponses dans un prochain article.

    Source : PBS Nova / The Elegant Universe

     

    4 réponses à “Le Saint Graal de la Physique Théorique” Icône RSS

    • J ai bien aimé la clarté de cet article. Toutefois la description de la force faible me semble erronée et incomplète : « transformation d un neutron en un neutron avec émission de radio activité. »
      Il semble que dans la formulation un proton soit devenu neutron et ceci sans radioactivité bêta 😉
      Mais cela n’enlève rien à la qualité de l’article.

    • Bonjour, En fait il s’agissait d’une erreur que je viens de corriger : « L’autre, appelée force nucléaire faible, permet aux protons de se transformer en neutrons en émettant un rayonnement ».

    • Il manque un verbe dans la phrase Alors que sur le front…

    • Merci. Je viens de corriger.


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