Le Vide

On 21.02.2013, in Dossiers, by Mathieu

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Wikipedia nous dit que le vide est défini comme l’absence de matière dans une zone spatiale. Alors faisons l’exercice d’imaginer une région de l’espace où règnerait un monde sans vie, sans planète, sans étoile, sans atomes susceptibles de s’organiser un jour en quelque chose…un monde sans matière, rempli de vide, imaginons un monde dans un état où il n’y a strictement rien…on se rend vite compte qu’il est difficile de penser le rien. D’ailleurs ”Penser le rien, ce n’est jamais penser à rien” (Etienne Klein).

Grèce antique

Chez les philosophes grecs, Aristote soutenait qu’il ne pouvait exister un endroit vide. Pour lui la nature a horreur du vide. Aristote avait une conception de l’univers comme d’un « espace clos », organisé, ordonné et harmonique.

Thalès de son côté refusait aussi l’existence du vide et du rien. Il affirmait que quelque chose ne peut émerger du rien, et de même les choses ne peuvent disparaître dans le néant. Il éleva même ce principe à l’échelle de l’univers tout entier: pour lui, l’univers ne peut être issu du néant.

Parménide s’est aussi posé la question si on pouvait parler du vide comme d’une entité en soi, ou uniquement comme une absence? Il disait « l’être est, le non-être n’est pas »; le vide était pour lui un non-être, et ne pouvait donc exister.

Mais les grecs avaient aussi déjà émis l’hypothèse que la matière peut adopter des formes granulaires. Si on empile des grains, il y a des espaces libres entre eux. Pour qu’il n’y ait pas de possibilité qu’une sorte de “vide” s’instaure dans les espaces libres, Empédocle fit l’hypothèse de l’éther, plus léger que l’air, pour remplir tous ces espaces. Selon lui, l’éther est une substance qui s’introduit partout, et empêche le vide de se former. Il imagina même que cet éther omniprésent servait à transmettre les influences d’un corps sur un autre, une sorte d’équivalent précurseur au champs gravitationnel.

Épicure, reprenant les idées de Démocrite, continuait à nier que quelque chose puisse sortir de rien. Mais Epicure et Démocrite sont aussi des atomistes, et ce sont les premiers à avoir émis l’idée de l’atome, le plus petit élément de base indivisible et commun à toutes les formes de matière. Et de là naquit pour la première fois chez les grecs l’idée de l’existence du vide, un espace sans rien dans lequel les atomes pouvaient se déplacer. Epicure affirmait que l’existence du vide était nécessaire au déplacement des atomes.

Renaissance

Les idées sur le vide des philosophes grecs ont perduré jusqu’à la Renaissance. Au XVIIème siècle, avec l’introduction de la méthode expérimentale, les physiciens de l’époque ont pu montrer que la croyance en la nature qui a horreur du vide est tout simplement le résultat d’une mauvaise interprétation des phénomènes physiques. Si la nature a horreur du vide comme le préconisaient les philosophes grecs, c’est tout simplement parce nous sommes soumis à une chape de plomb qui est notre atmosphère et qui exerce une pression considérable sur chaque cm2 (1kg/cm2 = 10 tonnes/m2) de tout ce qui se trouve sur le sol, forçant l’air à s’infiltrer dans tous les orifices possibles, même les plus petits. Mais on sait aussi tous plus ou moins intuitivement qu’il est possible d’éliminer l’air d’un récipient et de faire le vide. En 1643, c’est Evangelista Torricelli (un élève de Galilée) qui mis en évidence expérimentalement pour la première fois l’existence du vide grâce à son expérience du baromètre au mercure. L’expérience consiste à utiliser un tube creux en verre vertical d’environ 1 mètre de long rempli complètement de mercure et ouvert à une extrémité (longue pipette de chimiste). On bouche l’extrémité ouverte avec son doigt (la précaution vaut qu’on utilise un gant, le mercure est toxique), on retourne le tube tout en le plongeant avec précaution dans une cuvette elle aussi remplie de mercure. Tant que le doigt bouche l’extrémité immergée, le mercure reste en place dans le tube. Si on enlève le doigt, alors on constate que le mercure dans le tube descend jusqu’à ce que la colonne ne soit plus que de 76 centimètres (au lieu d’un mètre), puis se stabilise à cette hauteur et ne bouge plus. Par cette expérience Torricelli a mis en évidence le lien direct entre le poids du mercure (ou du liquide utilisé) et la contrainte de l’atmosphère environnante (altitude/pression/température). La pression de l’air équilibre la pression de la colonne de mercure. Mais cette expérience mais aussi en évidence un autre phénomène qui nous intéresse dans ce dossier: qu’y a-t-il dans les 24 centimètres restant au sommet du tube? Là où il y avait du mercure, il y a en apparence plus rien. De l’air n’a pas pu y entrer, Torricelli réalisa pour la première fois qu’il avait créer du vide.

Un tout petit peu plus tard en 1654, au moyen d’une expérience publique spectaculaire, Otto Von Guericke, inventeur allemand de la pompe à air, démontra la force de la pression atmosphérique en accolant deux hémisphères de cuivre d’environ 50 cm de diamètre de manière à former un sphère creuse. Il commença par montrer qu’il était aussi facile de les réunir que de les séparer. Ensuite à l’aide d’une pompe pneumatique connectée à un valve présente sur l’une des deux hémisphères, il aspira l’air contenu à l’intérieur de celles-ci. Il attacha ensuite chacun des hémisphères à un attelage de huit chevaux et montra que ceux-ci n’étaient pas capables de les séparer en tirant dans des directions opposées. Les hémisphères restaient collées. Il ouvrit alors la valve, laissant l’air à pression atmosphérique rentré à l’intérieur des hémisphères , et ceux-ci se séparèrent alors facilement. Dans cette expérience de von Guericke, quand on pompe l’air contenu dans la sphère, le poids de l’atmosphère extérieure exerce une importante pression à sur la sphère (10 tonnes/m2), sans qu’il y ait de pression à l’intérieur pour la contrebalancer. Le métal était suffisamment solide pour résister à l’écrasement dû à la pression atmosphérique, et même des chevaux n’étaient pas assez puissant pour fournir les tonnes de traction nécessaires pour triompher de la pression extérieure.

Un peu plus tard, Blaise Pascal répéta l’expérience de Toricelli mais en utilisant comme liquide du vin bien moins dense que le mercure, mais bien plus volatil. Il s’aida d’un tube bien plus long, car le vin est moins dense que le mercure, ce qui fait que la pression atmosphérique peut soutenir une colonne de vin bien plus haute. Il a pu vérifier que l’espace en haut du tube est bien vide et qu’il ne contient pas de vapeur de vin, le vin se stabilisait à la hauteur prévue par les calculs, et la volatilité du vin n’était pas la cause de l’espace libéré au dessus du liquide, c’était bien la pression atmosphérique qui déterminait la hauteur de cet espace rempli de vide. Il y a bien un peu de vapeur de vin qui se répand dans l’espace vide créé, sa pression de vapeur appuie très légèrement sur la colonne du liquide, mais son effet est négligeable par rapport à la pression exercée par l’atmosphère.

Un autre expérience historique de Blaise Pascal effectuée en 1648 montra que la hauteur d’une colonne de mercure décroit quand l’altitude augmente, c’est-à-dire la pression atmosphérique décroît avec l’altitude. Cela vient du fait que l’atmosphère est limitée; à haute altitude, la pression est plus basse parce qu’il y a moins d’atmosphère au-dessus…l’atmosphère se raréfie graduellement jusqu’à disparaître. Il semblerait que les philosophes grecs avaient eu tort, la nature n’a pas particulièrement horreur du vide. Comme Pascal l’a lui-même noté, la nature n’a pas moins horreur du vide au sommet d’une montagne que dans la vallée, par temps humide ou par temps ensoleillé; c’est le poids de l’air qui donne l’illusion que la nature a horreur du vide.

D’ailleurs lorsque l’on dit dans le langage commun qu’un récipient est vide, il est en fait rempli d’air. Un verre vide, une bouteille vide, un carton vide… contiennent en fait des milliards de molécules d’air. Même avec les meilleurs pompes à vide, il est en pratique impossible de faire le vide parfait. Il existera toujours une très faible pression. Dans un vide considéré comme excellent (10^-8 Pa) il contient encore 2,4 millions de molécules par centimètre cube à température ambiante.

A cette époque on a aussi montré qu’une lampe placée dans un volume transparent vidé d’air, grâce à des pompes pneumatiques, continue à être vue, ce qui démontre que la lumière peut voyager dans le vide. Par contre le son d’une cloche, lui, s’éteint quand on pompe l’air. Au moyen de cette expérience, on avait réussi à mettre en évidence que la nature du son est profondément différente que celle de la lumière.

XIX-XXème siècle

Fin du XIXème – début du XXème siècle, c’est Philippe Lenard, l’un des co-découvreurs de l’électron, qui apporta grâce à sa découverte une nouvelle dimension à la notion de vide. En envoyant des faisceaux d’électrons sur des atomes, il observa que les électrons passaient au travers comme s’ils n’avaient rien vu sur leur passage. On se rend alors compte que la matière semblant solide à l’état macroscopique, est transparente à l’échelle atomique. Ce qui poussa Lenard à remarquer: “l’espace occupé par un mètre cube de platine massif est aussi vide que l’espace interstellaire au-delà de la Terre.” On découvre donc qu’un atome est constitué d’un noyau avec des électrons infiniment plus petits et plus légers qui orbitent autour de celui-ci. Tout ce qui dans l’atome n’est pas électron ou noyau est du vide. On peut en dire autant des entrailles du noyau atomique, les protons et neutrons sont constitués de particules infiniment plus petites appelées les quarks baignant dans le vide du noyau de l’atome. Un atome est est essentiellement de l’espace vide à 99,9%. Si les atomes sont vu comme d’immenses vides du point de vue des particules qui le composent, leur volume intérieur néanmoins lui est rempli de champs de forces électriques et magnétiques extrêmement puissants qui assurent la solidité de la matière, et ces champs baignent dans l’espace vide à l’intérieur de l’atome.

Les Champs

Il faut distinguer deux type de champs (scalaires et vectoriels):

Champs Scalaires: Prenons le cas de l’atmosphère à la surface de la Terre (on aurait aussi pu choisir l’océan). En tout point de l’atmosphère, un thermomètre ou un baromètre permet d’observer et de définir respectivement une température ou une pression. Il existe donc un champ de température et un champ de pression. Ces champs sont définis par une collection de nombres qui sont des quantités dites scalaires. Pourquoi ce mot ? Tout simplement parce que scala en latin signifie « échelle », « escalier » et que bien sûr quand la température monte, le liquide dans un thermomètre grimpe le long des graduations comme on franchirait les barreaux d’une échelle. Sur une carte de pression de l’air, comme sur une carte de niveaux (cartes de gradients), les points où la pression est la même peuvent être reliés par des lignes (les isobares). El même chose pour la températures avec les isothermes.
Champs Vectoriels: Mais dans l’atmosphère, il existe aussi du vent. Pour caractériser le vent, on utilise des anémomètres qui mesurent une vitesse dans une direction et un sens donnés en chaque point de la Terre. Une intensité d’une grandeur, comme la vitesse, une direction et un sens c’est un vecteur pour un physicien. On a donc défini un champ vectoriel.

Dans le cas de la pression/température atmosphérique et des vents, il y a un milieu physique, l’air, dont les variations de densité déterminent les champs, de sorte qu’on peut visualiser la réalité de ce modèle. Mais le concept de “champ” s’applique aussi même s’il n’y a pas de milieu matériel apparent. C’est le cas des champs gravitationnels, électriques ou magnétiques (champs vectoriels) qui représentent l’intensité, la direction et le sens de leurs forces respectives dans tout l’espace. Le champ gravitationnel de la Terre tapisse l’espace et attire les parachutistes en chute libre vers le sol, celui du Soleil maintient la Terre sur son orbite annuelle. On peut ainsi se représenter le champs gravitationnel comme une sorte de “tension” dans l’espace apparemment vide, qui se manifeste par des forces appliquées à des corps qui se trouvent dans le voisinage. La sphère d’influence de cette tension est appelée champ.

Ondes

La notion d’onde est liée directement à celle du champ. Il faut bien saisir la différence entre un champ et une excitation de champ, c’est-à-dire la différence entre l’océan et une vague sur l’océan. Si on agite un bâton sur la surface d’un étang calme (champ), une vague (onde) se propagera sur la surface. Cette onde correspond en réalité à la perturbation crée au sein des molécules d’eau, qui se mettent à se cogner entre elles en chaîne. Pour les tremblements de terre, ce sont des ondes de compression qui se propagent dans les couches terrestres. Les sons que nous entendons correspondent à des ondes de pression dans l’air qui font vibrer la membrane de notre tympan. Dans tous ces exemples, il y a un milieu bien identifié (eau, terre, air) dont la compression et dilatation créent l’onde. Mais quel est le milieu de propagation (qui oscille) d’une onde électromagnétique, comment une onde peut-elle se propager dans le vide?

L’Ether

Lorsqu’un électron est au repos, il est entourée d’un champ électrique. S’il est accéléré ou secoué, une onde électromagnétique se crée et se propage dans l’espace jusqu’à rencontrer un nouvel électron qui sera à sont tour mis en mouvement et accéléré à l’arrivée de l’onde électromagnétique. Comme pour la vague sur l’eau et l’onde sonore, l’onde électromagnétique a transporté de l’énergie de l’émetteur au récepteur. Les champs magnétiques et électriques remplissent l’espace vide et leurs excitations sont les ondes électromagnétiques. En théorie, les champs gravitationnels ont également la propriété d’être le siège d’ondes gravitationnelles. Mais il y a une profonde différence entre les ondes électromagnétiques/gravitationnelles et les ondes de type vagues sur l’eau ou sons dans l’air. La vitesse de déplacement des vagues sur l’eau dépend de la longueur d’onde (distance creux+bosse) et du milieu de propagation. Au contraire toutes les ondes électromagnétiques (et gravitationnelles) vont à la même vitesse, à la vitesse de la lumière. En résumé, on a des ondes électromagnétiques et gravitationnelles capables de se déplacer à la vitesse de la lumière…mais dans quoi? Quel est ce milieu, ce soit-disant vide, qui est le siège de la propagation des ondes électromagnétiques et gravitationnelles. Si le vide est le siège de quelque chose, est-ce encore du vide? Depuis les grecs et Empédocle, en passant par Newton, et de nombreux scientifiques du XVIIIème siècle comme Euler, tous ces derniers ont émis l’idée de l’éther, un milieu plus subtil que l’air qui remplirait tout l’espace. L’hypothèse de l’éther leur était bien utile, car elle répondait à l’énigme du milieu de transmission des ondes électromagnétique et plus particulièrement celui de la lumière. Les ondes électromagnétique ne se transmettraient pas dans le vide mais au sein d’une substance universelle présente partout que serait l’éther. Les idées sur l’éther proliférèrent durant de nombreux siècles jusqu’à qu’elles soient sérieusement remises en cause par la théorie de la relativité d’Einstein.

L’Espace

Aristote définissait l’espace par les corps qu’il contient. Il considérait les corps comme réels, mais pas l’espace. Pour lui des corps situés les uns par rapport aux autres définissent l’espace, et si on enlève les corps, alors selon Aristote on élimine aussi l’espace. Une telle vision implique que le vide ne peut exister, car en enlevant le contenu (matière), on enlèverait aussi son contenant (espace). Straton, un autre philosophe grec lui dit le contraire. Pour lui les corps se déplacent dans un espace vide bien réel. L’espace comme contenant existe bel et bien qu’il y ait quelque chose dedans ou non. S’il n’y a rien dedans, alors l’espace continue d’exister, mais entièrement vide. Newton suit aussi la même idée que Straton, il pense que l’espace a une existence propre. Et son existence a quelque chose d’absolu, même en l’absence de corps. L’espace vide est ce qui reste quand on a enlevé tous les corps. L’absence de matière entraînerait aussi pour Newton l’absence de forces gravitationnelles. Newton considérait aussi que la vitesse de la lumière était infinie, que les informations pouvaient donc se transmettre à vitesse infinie, et que par conséquent la force de gravitation était supposée se propager instantanément. Pour Newton il en découle une notion de simultanéité: si deux événements se sont produits à la même heure pour un observateur, il en est de même pour tout autre observateur. Dans cet espace absolu de Newton les mesures de distance et du temps sont les même pour tous.

L’Espace-Temps

Einstein renonça aux idées de Newton. Il doutait sérieusement de la réalité d’un espace référentiel absolu.

Relativité Restreinte (1905)

Einstein avait compris que les mesures et perceptions d’espace et de temps étaient en réalité différentes pour des gens qui sont en mouvement les uns par rapport aux autres. Pour bien le comprendre, imaginez que vous êtes assis au milieu d’un train à l’arrêt et que vous envoyez un signal lumineux au conducteur qui est en tête du train et un autre au gardien qui est en queue du train. Ils recevront le signal au même instant. Le passager au milieu du wagon arrêté, tout comme un autre voyageur qui serait sur la quai de gare à la même hauteur que le passager au milieu du wagon constatent bel et bien que le conducteur et le gardien en queue de train reçoivent le signal en même temps. Maintenant, supposons qu’au lieu d’être à l’arrêt, le train se déplace à une vitesse constante. Lorsque le passager du milieu du train passe devant le voyageur attendant sur la quai de gare, un signal lumineux est à nouveau envoyé au conducteur et au gardien. Pour le passager se déplaçant avec le train, les deux signaux arriveront simultanément au conducteur et au gardien (car il se déplace avec eux). Par contre, du point de vue du voyageur sur la quai de gare, la réalité est bien différente: pendant le bref instant que prend la lumière pour aller du milieu vers la queue du train, la wagon de tête se sera éloigné et le wagon de queue se sera rapproché du voyageur sur la quai de gare. Du point de vue du voyageur sur le quai de gare, le signal parviendra au gardien avant d’arriver au conducteur. La simultanéité vue par quelqu’un à bord du train n’en est plus une pour quelqu’un resté au bord du quai. Newton est pris à défaut.

Ces phénomènes de modulations du temps peuvent s’appliquer exactement de la même manière à l’espace. Donc un observateur 1 qui se déplace à la vitesse v1 n’aura pas la même perception des intervalles d’espace et de temps qu’un observateur 2 qui se déplace à la vitesse v2. La mesure de l’espace et du temps dépend de la vitesse à laquelle se déplace l’observateur. Dit autrement il n’existe pas de règle ou chronomètre universel capable de mesurer les distances et les intervalles de temps de façon absolue.

Peinture de Salvador Dali mettant en scène des horloges fondantes représantant la dilatation du temps

Et c’est parce que la vitesse de la lumière a une valeur finie (qui ne dépend ni de la vitesse de la source ni de celle du récepteur) que la structure de l’espace et du temps dépend de notre vitesse. Mais heureusement c’est parce que la vitesse de la lumière a une valeur finie mais grande que nous ne remarquons pas ces phénomènes de contraction et dilatation de l’espace et du temps dans notre vie quotidienne (ils sont négligeables). Heureusement, moi, vous et votre voisin avons tous la même perception de l’espace et du temps quand nous roulons en voiture à des vitesses différentes.

Relativité Générale (1915)

Einstein a conçu sa théorie de la relativité restreinte grâce à des expériences de pensée mettant en jeu un rayonnement électromagnétique, la lumière. A la suite de quoi il fît de même pour la force de gravitation, ce qui le mena à sa théorie de la relativité générale. Dans cette théorie, il généralise son modèle d’espace et de temps appliqués initialement aux forces électromagnétiques (comme la lumière) et le rend compatible avec la force de gravitation. La structure de l’espace-temps est la même pour les deux interactions (gravitationnelle et électromagnétique). Il montre qu’en absence de matière l’espace-temps est plat. Quand de la matière est présente, l’espace-temps devient courbe. Dans la conception newtonienne, l’espace est un espace plat, dans lequel les parallèles ne se rencontrent jamais (géométrie Euclidienne). Dans un espace courbe de telles lignes se rencontreront (géométrie non euclidienne). Pour bien comprendre, il faut imaginer les méridiens (géodésiques de longitude) de la Terre qui sont parallèles, mais qui cependant convergent tous vers les pôles. La vitesse à laquelle cette convergence a lieu donne une mesure de l’intensité de la courbure de l’espace-temps. Si comme dans la conception newtonienne, la vitesse de la lumière avait une valeur infinie, alors l’intensité de la courbure de l’espace-temps deviendrait nulle, ce qui est une autre façon de dire que l’espace-temps est plat. C’est en accord avec l’image newtonienne d’un espace dans lequel les corps se déplacent sans affecter ni l’espace et ni le temps, ou des lignes parallèles ne se rejoignent jamais. Ce modèle d’espace newtonien s’inscrit donc, dans la théorie de la relativité générale d’Einstein, comme un cas particulier de celle-ci où la vitesse de la lumière est infinie. Pour Einstein, des signaux ne peuvent se propager plus vite que la vitesse de la lumière, et la simultanéité n’existe pas, tandis que pour Newton la gravitation agit instantanément, et la vitesse de la lumière est infiniment grande.

Einstein formalisa sa théorie de la relativité générale en reliant la courbure de l’espace-temps et le champs gravitationnel. C’est comme si le poids de la matière, des corps célestes distend et déforme la trame de l’espace-temps. Et ce sont les déformations de l’espace-temps qui sont responsables de l’action de la force de gravitation. Donc pour Einstein, il y a uniquement des mouvements relatifs de corps par rapport à d’autres qui par leur simple mouvement dilatent et rétrécissent l’espace et le temps. Pour Einstein les objets physiques ne sont pas dans l’espace, les objets physiques ont une étendue spatiale. Vu comme ça, pour Einstein, le concept d’ «espace vide» perd son sens.

Einstein formalisa les concepts d’espace et de temps en un seul espace à quatre dimensions (3 d’espace + 1 du temps). L’espace et le temps passent donc d’un statut d’entité absolue, uniforme et universelle (conception newtonienne) à un statut élastique et relativiste. Petite réflexion au passage, la théorie de la relativité générale n’implique pas forcément qu’il n’y a pas d’éther, mais simplement que tout ce qui se trouve de cet éventuel éther doit se comporter selon les principes de la relativité. On pourrait légitimement imaginer que le champs électromagnétique que l’on ne peut pas voir à moins de le faire osciller est “une sorte de d’éther”. De manière analogue, on pourrait considérer le champs gravitationnel comme un éther qui deviendrait visible via les ondes gravitationnelles.

Ondes Gravitationnelles

Une des solutions, la plus simple, des équations d’Einstein dit que s’il n’y a pas d’énergie (matière), l’espace-temps n’a pas de courbure, et l’univers est plat. Une autre solution des équations nous dit qu’il peut exister un espace-temps sans énergie (matière), mais pas forcément plat pour autant. Cela peut paraître paradoxal, un espace-temps sans matière, mais tout de même déformé? Si dans l’espace-temps il se produit quelque chose qui engendre un changement brusque de la distribution d’énergie (matière), comme une explosion de supernova ou l’effondrement d’une étoile en un trou noir, des ondes gravitationnelles vont rayonner à la vitesse de la lumière. Si la cause matérielle à l’origine de ces ondes gravitationnelle disparaît, l’onde continue néanmoins de se propager. On peut donc imaginer une région de l’univers vide de matière mais dont l’espace-temps est animé de frissons d’ondes gravitationnelles, un espace-temps vide mais qui vibre. Et c’est l’idée du vide que se faisait Einstein. Si on pousse le raisonnement à l’extrême, on peut imaginer qu’on retire tous les corps de l’univers sauf un seul, sa masse produira un champ gravitationnel qui s’étendra dans l’espace-temps tout entier (en diminuant avec le carré de la distance). On pourrait donc bien contempler une région de l’espace-temps dénuée de tout corps matériel, mais ce ne sera pas réellement du vide tant qu’il restera un seul corps n’importe où dans l’univers: le champs gravitationnel de ce corps lointain remplira tout l’espace vide . Si on analyse plus en détail la raison de l’existence possible d’un espace-temps vide mais qui ondule, ça tient finalement au fait que la vitesse limite et maximale autorisée pour la propagation d’information est la vitesse de la lumière, la propagation de tout type d’information, dont les ondes gravitationnelles, ne peut pas être instantanée (de vitesse infinie).

Comment détecter ces ondes gravitationnelles? Tout comme un tremblement de terre provoque des ondes à la surface de la Terre, perturbant les géodésiques de celle-ci, les ondes gravitationnelles provoqueraient des oscillations des géodésiques de l’espace-temps. Leurs effets peuvent être comparés aux marées, étirant et comprimant toute matière se trouvant sur le chemin de l’onde. Actuellement les scientifiques ont seulement des indications indirectes de l’existence de ces ondes gravitationnelles, et différents projets sont en route afin de pouvoir observer et effectuer des détections directes des ces ondes (LIGO, LISA). Les scientifiques cherchent à observer des ondes gravitationnelles provenant d’évènements cataclysmiques comme des collisions d’étoiles, de trous noirs, de supernovæ…

Le Vide Quantique

On a vu qu’à grande échelle un espace-temps vide mais qui vibre sous l’effet d’ondes gravitationnelles est compatible avec les équations d’Einstein. Et si on pouvait regarder le vide à toute petite échelle avec un microscope ultra-puissant, à une échelle si petite que la force de gravitation n’a plus aucun effet sur les particules élémentaires de la matière, que verrait-on dans ce monde quantique infiniment petit?

L’énergie du point zéro

Imaginez un petit volume de vide, disons un mètre cube d’espace intergalactique, dont on a retiré tout l’hydrogène et toute autre particule qui pourrait s’y trouver. Ce m3 d’espace peut-il être réellement vide de matière et d’énergie? Et bien dans le monde quantique, la réponse est non. Bien loin d’être sans contenu, le vide est toujours bouillonnant d’activité. En mécanique quantique, les particules élémentaires satisfont à des lois fondamentales plutôt étranges, on sait par exemple qu’on ne peut pas décrire exactement à la fois la position précise et la vitesse (mouvement) d’une particule. La mécanique quantique permet de mesurer exactement l’une ou l’autre de ces grandeurs, mais pas les deux à la fois! C’est le principe d’indétermination ou d’incertitude d’Heisenberg. Revenons à notre m3 d’espace auquel on enlevé toutes les particules, cela revient à dire que l’on sait précisément qu’il n’y a aucune particule en n’importe quel point de cette espace, on a donc une information précise sur la position (il y aucune particule en aucune position), ce qui, selon les lois quantiques, nous amène à dire que l’on ne connaît rien sur le mouvement et l’énergie présente dans ce m3 d’espace. On peut enlever toute matière et toute masse, l’indétermination quantique nous dit qu’il y aura tout de même de l’énergie, l’énergie ne peut être nulle. On ne peut à la fois avoir une quantité de matière nulle et une énergie nulle, on peut avoir l’un ou l’autre, mais pas les deux à la fois. Ces idées nous amènent à des situations plutôt bizarres. Pour mieux le comprendre, on peut imaginer un pendule quantique constitué d’un petit aggrégat de molécules suspendus à un fil d’atomes et oscillant comme un pendule classique. Selon les lois quantiques, un tel pendule quantique ne pourra jamais arriver à un état de repos où il resterait pendu immobile verticalement. Un pendule quantique, lorsqu’il se trouve en son point le plus bas (énergie potentielle nulle), le mouvement est indéterminé (son énergie cinétique ne peut pas être connue), il oscillera donc légèrement autour du point le plus bas. Inversement si le pendule est au repos (énergie cinétique nulle), son énergie potentielle et donc sa position sont indéterminés, et il oscillera légèrement de position de haut en bas. La mécanique quantique impose que la somme de l’énergie cinétique et énergie potentielle ne peut descendre en dessous d’un minimum: les deux ne peuvent être simultanément nulles. Au mieux on peut dire qu’il existe une quantité d’énergie minimum, connue comme l’énergie du point zéro

Dans la nature, le mouvement des molécules dans la matière est à l’origine de ce que nous appelons la température (plus la température est élevée, plus l’agitation des molécules est grande), et nous sommes constamment entourés de particules excitées qui passent d’un état énergétique à un autre et qui rayonnent de l’énergie. Par exemple un objet qui est chauffé augmente sa température et va émettre de la chaleur, il va donc rayonner de l’énergie. Si on regarde comment se comportent les atomes de l’objet qui a été chauffé, on voit que les électrons passent d’un état énergétique stable à un état énergétique excité en rayonnant de l’énergie. Si au contraire on refroidit l’objet, la théorie quantique nous dit que c’est impossible d’atteindre le zéro absolu en température (0°K / -273°C), une situation où toutes les particules sont gelées en position, sans mouvement et sans énergie est impossible. Il existera toujours une énergie intrinsèque du point zéro, même lorsqu’on s’approche du zéro absolu en température. Retirer ou éliminer des particules de matière pour obtenir du vide est une terminologie qui ne fait pas vraiment de sens dans le langage quantique. Le vide quantique est en réalité rempli de particules mais toutes se trouvant dans leur état énergétique minimal, le plus petit possible, dans une configuration d’énergie la plus basse possible. C’est un état fondamental dans lequel on ne peut plus retirer aucune énergie supplémentaire aux particules.

Le vide quantique est donc l’état dont l’énergie est la plus petite possible, un état fondamental d’énergie qui sera néanmoins toujours soumis à des fluctuations énergétique, qu’on appelle fluctuations quantiques.

On peut se représenter le vide comme une mer (quantique) bouillonnante d’ondes électromagnétiques, contenant toutes les longueurs d’ondes possibles, en allant des minuscules longueurs d’onde même plus petites que l’échelle atomique jusqu’à celle ayant une longueur d’onde à l’échelle cosmique. Le point zéro correspondrait à la surface de cette mer quantique, en moyenne la surface de la mer est plane (en moyenne il n’y a aucun champ électromagnétique, dit autrement c’est un milieu statistiquement sans particules élémentaires), mais en réalité cette mer est agité constamment par les vagues (oscillations) des ondes électromagnétiques de tout les longueurs d’ondes possibles (fluctuations quantiques).

L’Effet Casimir

Mais alors comment se convaincre de la réalité de l’énergie du point zéro, et que ce n’est pas un artéfact mathématique. Vous pouvez commencer d’abord par réécouter le dossier Zéro et Infini, l’histoire d’amour de Nicotupe, dossier dans lequel il nous explique qu’un monde où le zéro est présent ne peut exclure l’infini! Dit autrement que le vide ne peut exclure de l’énergie. Mais plus concrètement c’est le physicien Hendrik Casimir qui suggéra et prédit en 1948 l’existence de l’énergie du vide via un effet, qu’on appelle effet Casimir, qui a pu être démontré expérimentalement en 1996. Plaçons dans le vide deux plaques de métal légèrement séparées et parallèles entre elles. Une force attractive commencera à les attirer l’une vers l’autre. Il existe bien sûr une attraction mutuelle due à la gravitation, mais cette force est insignifiante et négligeable à l’échelle quantique. Cette attraction en réalité est due à l’effet Casimir qui résulte de la façon dont les plaques ont perturbé les ondes remplissant le vide quantique. Les métaux conduisent l’électricité, et cela affecte toutes les ondes électromagnétiques présentes dans le vide à l’énergie du point zéro. La théorie quantique nous dit que entre ces deux plaques il ne peut exister que des ondes ayant exactement un nombre entier de longueurs d’ondes. Seules les ondes accordées à l’intervalle entre les plaques pourront exister et vibrer, alors qu’au dehors des plaques toutes les longueurs d’onde peuvent exister. Dit autrement, il manque certaines ondes (photons) entre les plaques, il y a donc moins de pression sur l’intérieur des plaques que sur leurs faces extérieures. Il en résulte une force globale qui les rapproche. Quand les plaques sont trop éloignées cette force disparaît, inversement cet effet Casimir augmentera quand les plaques sont très proches. Cette force a été mesurée et l’effet Casimir vérifié. Le modèle d’énergie du point zéro dans le vide a donc été confirmé expérimentalement.

L’effet Casimir montre qu’un changement de l’énergie du point zéro peut être bien réel, qu’il peut être mesuré. Même si l’énergie du point zéro elle-même n’est pas accessible, on peut en connaître sa variation sous certaines conditions. Bien que l’énergie du vide est l’état minimum d’énergie que peut avoir un système, la quantité d’énergie au point zéro est néanmoins infinie. D’ailleurs les effets d’agitation énergétique du point zéro peuvent être ressentis par des particules traversant le vide. Par exemple, un électron d’un atome d’hydrogène en vol oscille légèrement lorsqu’il ressent l’agitation du point zéro des champs électromagnétiques, il passera d’une orbite à une autre (d’un état énergétique à un autre). La différence énergétique entre ces deux orbites rayonnera de la lumière, ce rayonnement lumineux est une indication des fluctuations quantiques du point zéro.

La Gravitation Quantique

La mécanique quantique produit des formulations précises pour les phénomènes infiniment petits, à l’échelle subatomique, mais elle ignore complètement les effets de la force de gravitation, qu’elle considère comme négligeable et insignifiante à l’échelle quantique. Les scientifiques n’arrivent pas à combiner la mécanique quantique (décrit le monde microscopique) et la théorie de la relativité générale (décrit le monde macroscopique) en une théorie unifiée cohérente et expérimentalement vérifiée. Néanmoins ces deux théories sont chacune valide dans leur domaines respectifs. Le problème qui se pose c’est qu’au tout début de l’univers, celui-ci était si petit, si dense, si compressé et si compact, que la force de gravitation devait être prédominante et agir au niveau quantique. De nombreux physiciens travaillent actuellement sur une théorie de la gravitation quantique, ayant pour objectif d’unifier la mécanique quantique et la relativité générale. La gravitation quantique nous dit que les fluctuations quantiques apparaissent aussi dans la trame de l’espace-temps d’Einstein.

La Mer de Dirac

Le physicien Paul Dirac (dont j’avais déjà parlé dans le dossier sur l’Origine de l’Univers) fut le premier à prédire en 1931 l’existence d’une autre particule, identique à l’électron, mais ayant une charge électrique opposée (positive) qui a été baptisée le positron (anti-électron). Il bâtit un nouveau modèle du vide faisant apparaître cette nouvelle particule d’antimatière qu’est le positron. Paul Dirac suggéra que l’on considère le vide quantique pas seulement comme une mer dans laquelle baigne une infinité d’ondes, mais comme une mer remplie d’électrons, de profondeur infinie, présente constamment partout, calme et indécelable tant que rien ne la perturbe. Chaque électron remplissant la mer de Dirac occuperait un niveau d’énergie propre, s’étalant sur une échelle allant de l’infini négatif (fond de la mer) jusqu’à une certaine valeur maximale (surface de l’eau). Cette valeur maximale étant considérée comme le « niveau de la mer », autrement dit l’état fondamental, le point zéro d’énergie du vide. Ce paisible « océan électronique » resterait virtuel et indétectable tant que rien ne le perturbe.

Mais on sait depuis la fameuse équation d’Einstein E=mc2, que la masse (matière) peut être produite à partir d’énergie. Si tout d’un coup les fluctuations d’énergie du vide dépassent un certain seuil d’énergie (si une vaguelette se transforme en vague), une paire d’électron et positron peut émerger spontanément. Cela veut dire que les fluctuations d’énergie du vide peuvent spontanément se transformer en électrons et positrons (sous certaines condition d’énergie et de temps). Plus précisément, une fluctuation quantique peut éjecter un électron de cette mère infinie de Dirac, ce qui laisse un “trou” dans la mer d’énergie négative. L’absence d’un électron chargé négativement par rapport au niveau de la mer se traduit par un trou d’énergie positive par rapport au niveau de la mer, c’est-à-dire par l’apparition d’une particule dotée d’énergie positive, le positron. On ne peut malheureusement pas observer la transformation des fluctuations quantiques du vide en électrons et positrons, mais on peut par contre mettre en évidence ce phénomène lorsqu’on fournit volontairement un tout petit peut d’énergie supplémentaire au vide, comme par exemple si on bombarde le vide (par ex. le champs électrique d’un atome) avec un photon de lumière (d’énergie égale à deux masses électroniques 2mc2), et bien dans ce cas on observe (indirectement) qu’une paire de positron-électron est bien créée spontanément pendant une durée de vie très courte (10 puissance – 21seconde). Ce mécanisme est à l’origine de l’apparition de ce qu’on appelle de paires de particules virtuelles. Le vide est le siège de matérialisations spontanées et fugaces de particules et de leur antiparticules associées qui s’annihilent presque immédiatement après leur création. Le vide est rempli de particules virtuelles apparaissant pendant un temps très bref avant de disparaître.

Pour Dirac, le vide serait donc rempli de particules virtuelles qui peuvent émerger et se matérialiser sous l’effet de fluctuations d’énergie du vide, laissant derrière elles des trous d’antiparticules. On sait aujourd’hui que non seulement la paire électron-positron, mais également les quarks et d’autres particules remplissent virtuellement cette mer sans fond, qu’on peut voir comme un entrepôt infini qui nous approvisionne en particules matérielles. Le vide contient une “mer” infiniment profonde de particules fondamentales. Dans cette interprétation le vide devient un milieu. Et cela implique des conséquences d’une portée considérable: si le vide est un milieu comme le décrit Dirac, on peut imaginer que l’on puisse ajouter quelque chose au vide afin d’abaisser son état fondamental d’énergie. On obtiendrait alors un nouvel état du vide plus vide que l’état du vide antérieur. Une transition entre ces deux états du vide est appelé changement de phase. Les scientifiques pensent qu’un changement de phase du vide ai pu avoir lieu au cours de l’histoire de l’univers. Il se peut donc que la nature du vide ai pu ne pas être la même au fil de l’évolution de l’univers!

Le Vide de Higgs

Le modèle standard de la physique des particules veut que dans l’univers primordial l’état du vide avait au début une phase symétrique où toutes les forces agissaient avec la même intensité, et étaient de ce fait unifiées (10 puissance -31 mètre). Quand l’univers s’est refroidi, des transitions de phase se seraient produites et l’état symétrique du vide a été remplacé par des états de plus en plus asymétriques, amenant la séparation des forces en intéractions forte, faible et électromagnétique. La structure quantique de la nature donnerait donc la possibilité à un système dans un état stable de haute énergie de choisir un état d’énergie plus bas dans lequel la symétrie est spontanément brisée. Les formes prises par les particules et les forces qui nous gouvernent seraient donc des résidus accidentels de la brisure de symétrie provoquée par le refroidissement (“gel”) de l’univers (à une température d’environ 10 puissance 17 degrés).

La question qui se pose est que les bosons W et Z (particules qui véhiculent l’intéraction faible) ont une masse, alors que les photons (véhicule de la force électromagnétique) et les gluons (véhicule de l’intéraction forte) n’en ont pas. On pense que la réponse est due à une propriété du vide, et c’est Peter Higgs qui a élaboré cette théorie, le même qui a prédit l’existence du boson de Higgs. Dans cette théorie, le vide baigne dans le champs de Higgs, responsable de donner la masse aux particules élémentaires comme les bosons W et Z, quarks…(à écouter l’épisode de la 100ème de PodcastScience et le dossier sur le boson de Higgs). En l’absence du champ de Higgs, les particules ne peuvent pas être arrêtées et se déplaceraient toutes à la vitesse de la lumière. Mais l’espace est rempli par le champ de Higgs, ce qui a pour conséquence de fraîner la vitesse de certaines particules et de leur attribuer une masse (les photons eux n’interagissent pas avec le champ de Higgs et se déplacent donc à la vitesse de la lumière). De la même manière que les ondulations des champs électromagnétiques produisent les photons, le champ de Higgs se manifeste sous forme de boson de Higgs. Mais le boson de Higgs qui est l’expression du champ de Higgs sous forme de particule a-t-il une masse? On est pas loin du problème de l’oeuf et la poule. Le boson de Higgs ressent aussi lui-même le champ de Higgs partout présent et a donc une masse.

Le vide de Higgs est une approche qui est profondément différente de celle du vide quantique. On a vu que le vide quantique est rempli d’ondes électromagnétiques, avec des fluctuations d’énergie autour du point zéro qui peuvent se matérialiser en nouvelles particules si l’énergie nécessaire est fournie. Le vide de Higgs lui est rempli du champs de Higgs. L’espace vide sans le champ de Higgs aurait plus d’énergie que lorsque le champ de Higgs est présent. Autrement dit, si on met un champ de Higgs dans le vide, l’énergie globale est diminuée. Le vide baigné par le champ de Higgs n’est l’état de plus basse énergie qu’à des températures suffisamment ”basses” (10 puissance 17 degrés)! Au dessus de cette température, la théorie indique que l’état fondamental de l’univers n’inclut pas le champ de Higgs.

A ses tout débuts, l’univers était extrêmement chaud et dense (bien plus chaud que 10 puissance 17 degrés) et le champ de Higgs n’existait pas, et c’est soudainement, lorsque l’univers s’est suffisamment refroidi, que le champ de Higgs a rempli le vide et a donné la masse aux particules.

Conclusion

Les dernières théories physiques suggèrent que notre univers tel qu’on l’observe actuellement “serait” apparu suite à une fantastique fluctuation quantique du vide. En se refroidissant le vide serait passé par une transition de phase dans laquelle le champ de Higgs se serait figé et les particules auraient pu ainsi acquérir de la masse. Le vide n’a donc pas toujours été le même au cours de l’évolution de l’univers!

On voit que la science moderne postule qu’il est impossible de faire un vide complet. L’espace vide sera toujours remplie d’énergie. Il ne peut exister quelque chose de littéralement vide. Finalement les philosophes grecs n’avaient pas totalement tort, la nature semble avoir horreur du vide.

Cependant, à mesure que la science apporte des réponses, elle fait surgir de nouvelles questions encore plus profondes et fondamentales. Pour ma part et à titre personnel un certain nombre de questions restent encore ouvertes:

D’où vient la potentialité quantique du vide? Pourquoi le vide est-il régit par les lois quantiques et non par des lois d’une autre nature? L’univers met-il en place des lois à sa mesure? Si l’univers est immanent, on peut alors penser qu’un autre univers pourrait être régi par d’autres lois, et que le vide y serait de nature différente. Si au contraire les lois physique sont transcendantes, alors elles sont les mêmes pour tous les univers possibles et les lois qui régissent le vide sont les mêmes partout.
Dans quoi l’univers existe-t-il et est-il en expansion?
Si on peut définir le rien comme l’absence de quelques chose, alors pourquoi le quelque chose (notre/nos univers), plutôt que le rien (un monde réellement vide d’énergie et de toute chose)?

Sources:

Qu’est ce que le vide? – Frank Close

http://fr.wikipedia.org/wiki/Vide

http://fr.wikipedia.org/wiki/Mer_de_Dirac

http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/non-le-boson-de-higgs-nexplique-pas-la-masse-du-soleil_39947/

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Podcast science 59 – Les planètes habitables

On 03.11.2011, in Notes d'émission, by Podcast Science

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En intro

Xilrian - que vous avez peut-être entendu dans le podcast Bazingcast – nous fait le plaisir d’une petite visite pour nous présenter son nouveau podcast: Alife – Vie artificielle. Nous vous le recommandons vivement, vous le trouvez sur:

Itunes: http://itunes.apple.com/fr/podcast/vie-artificielle/id471402436
Sur le web: http://blog.vie-artificielle.com/
Et en flux RSS: http://feeds.feedburner.com/vieartificielle

Le dossier de la semaine

Mathieu explore pour nous cette semaine les planètes habitables dans un de ces dossiers dont il a le secret. Suite la semaine prochaine!

Retour sur les neutrinos

Alan a dit quelques bêtises, qui ne sont pas passées inaperçues, heureusement. En vrac, les réactions et actions correctives:

Jorj X. McKie

Salut,
Pour la super nova de 1987 c’est plutôt avec 4 ans d’avance sur les photons que les neutrinos seraient arrivés, si l’on suivait les résultats de l’expérience OPERA. Une broutille

Xavier Agnès

@alanvonlanthen l’intrication ne viole pas la relativité. Il n’y a en fait pas de transmission d’information

Raoul

Je vais faire le casse pied. Sur l’intrication quantique c’est la corrélation qui est instantanée pas la communication.
L’intrication ne permets pas le transport d’information (la causalité est sauf).

Ethaniel

Argh, non, pitié, pas le non-paradoxe des jumeaux, pas ça !
Ah ben si, le paradoxe de Langevin a, une fois de plus, été complètement massacré =_=…
« L’exemple le plus frappant est le fameux paradoxe des jumeaux: on prend deux jumeaux, on en envoie un faire un petit tour de la galaxie en fusée à un vitesse proche de la vitesse de la lumière tandis que l’autre reste sur terre. Et bien, au bout de quelques dizaines d’années, quand la fusée revient, l’individu qui a voyagé n’a pris que quelques rides, tandis que son jumeau resté sur terre est déjà un vieillard grabataire. »
Non, cette différence d’âge N’EST PAS un paradoxe, aucune loi logique n’est violée : c’est certes un résultat surprenant, mais tout ce qu’il y a de plus normal dans le cadre de la relativité restreinte.
Bien, reprenons…Thomas (les prénoms sont de mon crû ^^), le jumeau resté sur Terre, voit son frère François voyager à bord de sa fusée à une vitesse proche de celle de la lumière, et si Thomas voit François se déplacer presque à la vitesse de la lumière, alors, grâce à la relativité restreinte, Thomas voit François vieillir très lentement, très très lentement, d’où, *du point de vue de Thomas*, l’âge encore jeune de François dans sa fusée quand il retrouve sur Terre Thomas qui, lui, a bien vieilli.
On a eu le point de vue de Thomas sur Terre, prenons maintenant le point de vue de François dans sa fusée : ce qu’il voit, lui, c’est son frère Thomas (ainsi que la Terre et le reste de l’humanité) se déplacer par rapport à lui à une vitesse proche de celle de la lumière (si la fusée se déplace par rapport à la Terre, alors la Terre se déplace par rapport à la fusée, à la même vitesse mais dans le sens opposé), et si François voit Thomas se déplacer presque à la vitesse de la lumière, alors, grâce à la relativité restreinte, François voit Thomas vieillir très lentement, très très lentement, d’où, *du point de vue de François*, l’âge encore jeune de Thomas sur Terre quand il assiste à l’atterrissage de la fusée de François qui, lui, a bien vieilli.
Ainsi, du point de vue de Thomas, François n’a presque pas vieilli et se retrouve bien plus jeune que lui, tandis que du point de vue de François, c’est Thomas qui n’a pas vieilli et qui se retrouve bien plus jeune que lui : chaque frère voit l’autre bien plus jeune que lui-même, or chacun ne peut pas être à la fois bien plus jeune ET bien plus vieux que l’autre, c’est LÀ qu’est le paradoxe logique (on ne peut pas avoir à la fois x>y et x

Pour ce qui est de la résolution du paradoxe, il faut se souvenir que la fusée quitte la Terre puis revient, donc a obligatoirement fait demi-tour à un moment donné : durant ce demi-tour, François subit une accélération qui va lui faire sentir physiquement que sa vitesse est en train de changer, mais surtout qui va invalider *pendant la durée de l’accélération* le point de vue décrit plus haut, puisqu’au lieu de voir Thomas vieillir lentement, il va durant cette période le voir vieillir vraiment très rapidement, prenant bien plus d’années que tout ce qu’il peut « économiser » durant les phases de voyage à vitesse constante.
À cause de cette accélération subie par François (accélération inévitable pour que la fusée rentre sur Terre), ce dernier ne verra finalement pas Thomas bien plus jeune que lui, mais bien plus vieux, ce qui résout le paradoxe puisque les deux frères constatent finalement la même chose, un Thomas bien vieux et un François encore jeune.
########
« On notera toutefois que l’expérience MINOS fut la première, en 2007, à trouver un résultat similaire (les neutrinos sont arrivés plus vite que prévus), mais personne ne s’est acharné à vérifier tous les paramètres, comme au CERN. On a conclu à l’époque à une erreur de mesure et on a classé l’affaire. »
Il est important de noter que si, pour MINOS, « personne ne s’est acharné à vérifier tous les paramètres », ce n’est pas parce qu’ils sont plus paresseux, plus bêtes ou plus je-ne-sais-quoi que ceux d’OPERA, c’est uniquement parce que l’incertitude (l’écart type σ) était du même ordre que l’excès mesuré, lequel pouvait donc être une très banale fluctuation statistique comme on en mesure tous les jours en Physique, alors que pour OPERA, l’incertitude (7.4 ns) est 8 fois plus petite que l’excès mesuré (60 ns), ce qui élimine presque à coup sûr la fluctuation statistique (mais pas l’erreur systématique, bien évidemment).
########
À ces deux détails près, très bon dossier résumant bien l’affaire à son stade actuel, merci =) !

Guillaume Bonnot

Au sujet de la supernova, j’ai écouter un autre podcast récemment, ou le physicien qui etait invite expliquait le fait que les neutrinos soient arrivés avant les photons vraiment simplement :
les photons voyagent en courbe, alors que les neutrinos voyagent en ligne droite.
Du coup la logique est bien respecté :
“vitesse neutrino” < “vitesse lumiere”
“distance parcourue par les neutrinos” < “distance parcourue par la lumiere”A verifier, j’ai pas retrouve la source, mais je vous tiendrais au courant.

Encore quelques réactions suite au départ de Mathieu

Vincent Lebreton

La voix et le “regard” hebdomadaires de Mathieu vont nous manquer (Et sa quote !!!) ; ses gros dossiers vont gagner un suspens insoutenable !!! (Mathieu, reviens nous de temps en temps, car il y a encore des dossiers d’astro-méta-physique qui sommeillent… et je voulais justement proposer ces domaines ci d’exploration : science politique et science diplomatique… à l’image du dossier de science économique, très pédagogique); le duo Alan-Mathieu marche vraiment bien… dur dur. Mais en même temps, en regardant de plus près cette seconde saison de PodcastScience, je pense que la multiplication des intervenants va donner une nouvelle dynamique intéressante. Bien à tous,

Loïc

Bon vent à Mathieu.
Si j’avais plus de temps et si je ne me savais pas aussi irrégulier dans le travail, je postulerais avec joie. Malheureusement, je suis ce que je suis.
J’espère que le/la successeur sera à la hauteur de Mathieu !

A ce sujet, le recrutement est désormais fermé, car en plus d’Hélène Arnal, un deuxième animateur potentiel va venir faire un galop d’essai, le 30 novembre, il s’agit de Franck Patin. Et nous avons même un 3e candidat, avec qui Alan n’a pas encore eu l’occasion de discuter, nous vous en parlerons si jamais nous faisons quelque chose ensemble. En tout cas, un tout grand merci de votre participation, le podcast est sauf

Sinon…

La valeur de la constante de structure fine (ou constante alpha) (une “constante” ou variable? fondamentale) changeraient dans le temps et l’espace
(Article publié sur Futura-Sciences signalé par Xavier Agnès)

http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/des-constantes-fondamentales-changeraient-dans-le-temps-et-lespace_34336
- La constante de structure fine est une constante fondamentale de l’Univers qui régit l’intensité de la force électromagnétique assurant la cohérence des atomes et des molécules.
- Il n’y a à ce jour aucune théorie qui explique pourquoi elle possède la valeur qu’elle a.
- Mais on sait que l’Univers serait très différent si cette constantes prenait une valeurs différente de celle qu’on observe. Par exemple, un petit pourcentage dans la valeur de la constante de structure fine serait suffisant pour éliminer les étoiles comme le soleil.
- Pourtant on savait déjà que sa valeur n’était pas la même dans le passé reculé de l’univers.
- Aujourd’hui les observations ont montré qu’en plus d’une variation dans le temps, il existe aussi une variation dans l’espace !
- Lorsque l’on regarde dans deux directions opposées de la voûte céleste, le sens de variation de la valeur de cette constante est aussi différent. Dans une direction, sa valeur était plus faible dans le passé et dans une autre elle était plus forte.
- Des modèles d’unification de la physique introduisant des dimensions spatiales supplémentaires, comme la théorie des cordes, induisaient déjà naturellement des mécanismes de variation dans le temps et l’espace de la constante de structure fine.

Le plug culturel

Envoyé par Thomas Landrain:

Le fondateur du mouvement Biohacking Do-it-yourself Biology, Jason Bobe, sera à Paris pour une conférence publique demain (jeudi 3 novembre 2011) à 19h. Il nous parlera de DIYbio et de Personal Genomics. Ca peut vous interesser.
http://www.gaite-lyrique.net/les-conferences/evenement/do-it-yourself-biology

Extrait du site:

Jason Bobe est l’Exécutive Director de PersonalGenomes.org et le Director of Community pour le Personal Genome Project (Projet de Génomique Personnelle) basé au laboratoire de George Church à la Harvard Medical School. Le Personal Genome Project cherche à encourager le développement réfléchi de technologies et d’applications de la génomique personnelle en construisant des structures qui permettront leur prototypage et leur évaluation à des échelles toujours grandissantes.
Jason Bobe est aussi le co-fondateur de DIYbio.org, une organisation qui vise à aider à rendre la biologie une poursuite utile pour les citoyens scientifiques et les biologistes amateurs. DIYbio est devenu rapidement le point de référence pour les biologistes amateurs dans le monde entier, unissant les participants du mouvement à travers son site web, ses forums en ligne, son blog et ses groupes régionaux comme l’association La Paillasse en France.

Et enfin la quote de Mathieu

It is much more likely that the reports of flying saucers are the results of the known irrational characteristics of terrestrial intelligence than of the unknown rational efforts of extra-terrestrial intelligence. – Richard Feynman

Traduction libre: Il est bien plus probable que les observations de soucoupes volantes soient le résultat de caractéristiques irrationnelles connues d’intelligence terrestre plutôt que d’efforts rationnels inconnus d’intelligence extra-terrestre

Prochain enregistrement le mercredi 9 novembre 2011, nous parlerons entre autres de vie extra-terrestre, en principe avec Jean-Michel Abrassart.

Bonne semaine, bonne écoute

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Podcast science 58 – Retour sur les neutrinos plus rapides que la lumière

On 27.10.2011, in Notes d'émission, by Podcast Science

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Le dossier de la semaine

Lia n’a malheureusement pas pu venir présenter son dossier sur les émotions chez les animaux, mais ce n’est que partie remise. En attendant, Alan voulait en avoir le coeur net sur ces fameux neutrinos et a mijoté un petit dossier.

Le scoop de la semaine

Mathieu confirme son départ, déjà annoncé sur le blog.

Un immense merci de vos réactions et commentaires, notamment:

Sur Twitter:

@bcurdy Benoit Curdy
@podcastscience Wow… Quel choc.

@MrClem_NW MrClem
@podcastscience arf dommage, bonne courage pour la suite.

@addinquy Christophe Addinquy
@podcastscience Ah ! Dur !! Mathieu, tu vas nous manquer. Vraiment.

@XavierAgnes Xavier Agnès
@podcastscience Ah! Quel choc! Mais je te comprend @mfavez. Déjà tout se travail effectué c’est extra!

En commentaire:

Jonkalak:
Je ne dirais qu’une chose : merci Mathieu et bon vent pour la suite de ton parcours personnel
(bon je sais ça fait 2 choses en fait)

Guillaume Lebrun:
Bonjour,
Je suis peiné de lire cette bien triste nouvelle, vous formiez une très bonne équipe !
Pour le recrutement, je suis toujours disposé à te donner un coup de main, mais comme tu as pus le remarquer, je met du temps pour la préparation des dossiers ! Oups … Rhô mais un par mois c’est encore gérable !
Alors n’hésites pas à me contacter !
Amicalement !

Forza Pedro
Merci Mathieu en tout cas !

draculito
Mince, je pensais que la nouvelle formule vous permettrait de souffler suffisamment pour continuer l’aventure. Bravo et merci Mathieu pour tous ces excellents dossiers, pour ta curiosité et tes questions pertinentes et pour ta qualité d’animation.

Mentine
Ouch! Maintenant, qui va poser des questions “bêtes” qu’on a toujours envie de poser et qui ne sont pas si bêtes que ça? Votre duo fonctionnait très bien, le(a) remplaçant(e) aura une barre haute à franchir…
Bravo Mathieu pour tous tes dossiers très variés, complets et bien construits. En espérant que tu trouves le temps pour revenir en chroniqueur occasionnel?
Be seeing you,
Mentine

De nombreux chroniqueurs potentiels occasionnels se sont manifestés, pour présenter un dossier de temps en temps,

Résultat des courses, après quelques jours seulement:

éventuellement intéressés:

@dlouapre (David Louapre, blog Sciences étonnantes http://sciencetonnante.wordpress.com/),
@Glb92 (Guillaume Lebrun était venu faire un dossier sur les extrêmophiles, PS 42 http://www.podcastscience.fm/emission/2011/06/23/podcast-science-42-les-extremophiles/

OK pour présenter un dossier exceptionnellement:

@pierrekerner,
@fuzzyraptor (Marion Sabourdy),
@tomroud (idéalement après sa tenure)

Décline, faute de temps

@MrPourquoi (Blog Pourquoi le ciel est bleu http://pourquoilecielestbleu.blogspot.com)

Et surtout… Nous avons une candidature qui dépasse ce qu’on pouvait imaginer. Que diriez-vous d’une présence féminine dans le podcast? L’auteure de l’excellent blog http://www.sciencesaucinema.fr a très envie de faire un bout de chemin avec nous. Hélène Arnal (surqualifiée pour le poste) va venir faire un épisode d’essai avec nous le 7 décembre prochain. Si tout se passe bien, on la retrouvera régulièrement aux commandes du podcast l’année prochaine

Le reste de l’actu de la semaine

Bienvenue au nouveau podcast “Vie artificielle“, hosté et animé par Xilrian (qu’on a pu entendre dans le podcast Bazingcast).
Notre liste de livres est enfin en ligne (http://www.podcastscience.fm/livres/). Vous pouvez la mettre à jour vous-même, il suffit de nous demander le lien via le formulaire de contact ou les moyens habituels
Un courrier de lecteur spécialement intéressant:
Message de Guillaume (Bonnot), intitulé “Vrac et plus encore”:

Bonjour, j’adore ce que vous faites. Cela fait un bon bout de temps que je vous ecoute, et je ne m’en lasse pas.
Je me joint a tous les auditeurs pour dire a Marco qu’il fait un tres bon travail, et que ses chroniques sur l’évolution sont tres intéressantes.

Mais surtout, je viens de tomber sur un épisode de la tête au carre tout simplement hallucinant. En l’écoutant, j’ai directement pensé au prix Nobel.

En gros il y a un chercheur qui a reussi a remplacer une lettre de l’alphabet de l’ADN (T) dans une cellule. jusque la rien de bien exitant. Sauf que le processus de remplacement est issue du processus de l’evolution.
Ils ont cree une machine a repliquer la cellule de base, et ils ont fait baisser les proportions de T et ont injecte du C (enfin il a utilise un autre nom, mais c’est trop complique a ecrire donc je dirais du C). Les cellules sont donc rentrés en competition pour avoir du T, et au bout de 5 mois, TOUTES les cellules avaient incorpore le C dans leur ADN a la place du T. Il faut aussi préciser que la machine répondait a la demande de C ou T des cellules, sauf qu’elle donnait toujours moins de T que désiré, alors qu’elle fournissait du C en illimité. Les cellules demandant du C étaient alors avantagés d’ou le résultat de 100% de cellules adaptes. Bref un bel exemple d’évolution en a peine 5 mois.
http://www.franceinter.fr/emission-la-tete-au-carre-cellule-artificielle-et-transhumanisme

Et enfin, un événément qui mérite le détour:
Le Grand Mix hacke la science le 4 novembre à la Cantine

La recherche a longtemps été un domaine réservé aux élites sociales ou intellectuelles et la science une richesse à partager avec parcimonie. Aujourd’hui encore, les projets de science citoyenne viennent « d’en haut ». Rares sont les initiatives qui, calquées sur la dynamique du web 2.0 et le « bazar » cher aux geeks, viendraient mettre sens dessus dessous la « cathédrale » scientifique.
L’innovation et le design peuvent-ils nous aider à repenser le processus de recherche ? Comment remettre à plat les relations de pouvoir en science ? Les citoyens ont-ils le devoir de se mêler de la recherche qu’ils financent et de son devenir ? Quelle autonomie reste-t-il aux chercheurs professionnels ou amateurs pour « jouer » avec les codes et les normes ?
Un an après son premier mix entre culture scientifique et culture numérique, le collectif du Grand Mix (C@fé des sciences, Knowtex, Pris(m)e de tête, Sciences et démocratie et Recherche en cours) retrouve Silicon Sentier pour une soirée « Le Grand Mix hacke la science ». Au programme : rencontres et discussions entre les acteurs de la recherche, du numérique, ceux qui les étudient ou qui voudraient les rejoindre.

Les présentations à proprement parler auront lieu au format “pitch”, de 20h à 21h

le vendredi 4 novembre de 19 heures à 22h30
à La Cantine
151, rue Montmartre, 75002 Paris

Inscriptions en ligne sur le site de La Cantine (attention, nombre de places limité)

Sur Twitter, le hashtag de la soirée sera #lemix.

Et enfin, la quote de Mathieu

Une croyance n’est rien d’autre qu’un espoir déguisé – Xavier Agnès

Prochain enregistrement le mercredi 3 novembre. D’ici là, une excellente semaine!

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Retour sur les neutrinos plus rapides que la lumière

On 27.10.2011, in Dossiers, by Alan Vonlanthen

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Strip Science - L'explication d'Usain Bolt, selon Grégory Michnik

Vous vous en souvenez sans doute, la nouvelle a défrayé la chronique le 22 septembre dernier, se propageant à la vitesse de la lumière, bien au-delà des cercles scientifiques: Einstein s’était lamentablement planté; des neutrinos avaient été flashés entre la Suisse et l’Italie, au-dessus de la vitesse limite autorisée par la relativité restreinte! La passion retombée, j’ai bien envie de revenir un peu sur cette histoire qui, je pense, a été présentée n’importe comment dans les médias traditionnels au risque d’écorner une nouvelle fois l’image de la science auprès du grand public. Nous allons commencer par parler de l’expérience à proprement parler (comment elle a été réalisée et l’esprit dans lequel les résultats ont été rendus publics) et nous verrons un peu si et en quoi Einstein s’est planté, s’il s’est planté.

Avant de parler de l’expérience: qu’est-ce qu’un neutrino?

Mathieu en avait parlé dans son dossier sur la matière noire (Podcast Science 31). Nous en avions reparlé dans le dossier sur le CERN (Podcast Science 43). Un petit retour aux fondamentaux s’impose: lorsqu’on demandait à Richard Feynman, l’un des plus grands physiciens de tous les temps, “quel est le savoir scientifique le plus important de tous?” il répondait simplement “tout est fait d’atomes”. Le mot atome vient du grec ancien “atomos” qui signifie “indivisible”. Sans instruments de mesure adéquats, les Grecs étaient déjà drôlement doués d’avoir postulé l’existence des atomes. Il aura fallu encore quelques milliers d’années pour qu’on s’aperçoive qu’ils ne sont pas, en fait, indivisibles. En effet, les atomes sont constitués d’électrons qui gravitent autour d’un noyau. L’électron est – pour ce qu’on en sait aujourd’hui – effectivement indivisible. Par contre, le noyau, est constitué de particules plus petites: les protons et les neutrons, eux-mêmes constitués de quarks. Je n’aborde même pas la question des bosons. (Si jamais, l’article “Particule élémentaire” de Wikipédia explique tout cela en détail). Revenons à l’électron. Il fait partie d’une plus grande famille de particules élémentaires, les leptons. Et les neutrinos, justement, sont une sorte de leptons. Leur existence a été postulée de manière totalement théorique, en 1930, par Wolfgang Pauli, qui étudiait une forme particulière de radioactivité: la désintégration bêta (Podcast Science 32 si jamais). Et il n’arrivait pas à expliquer le phénomène avec les seules particules connues à l’époque. Ce n’est qu’en 1956 qu’on a pu détecter des neutrinos pour la première fois. Depuis, ils n’ont jamais cessé d’intriguer les chercheurs. On a longtemps cru par exemple qu’ils n’avaient pas de masse. Or on sait aujourd’hui qu’ils en ont une, toute petite, même si on n’arrive pas encore à la mesurer.

Comment intercepte-t-on des neutrinos?

Les neutrinos ont toutes sortes de particularités. Notamment, ils n’interagissent pas avec la matière. Ils traversent tout, rien ne les arrête. Du coup, on a pu se demander comment l’expérience du CERN a bien pu faire pour mesurer leur vitesse: on n’a pas pu les taguer. Et comment mesurer la vitesse de quelque chose qui n’interagit avec rien? Lorsque des coureurs franchissent la ligne d’arrivée, par exemple, ils coupent physiquement le faisceau d’un dispositif photoélectrique pour déclencher le chronomètre. Lorsqu’un radar vous chope en excès de vitesse sur l’autoroute, c’est bien parce que votre carrosserie a fait rebondir son signal radio. Qu’est-ce qui peut bien déclencher le chronomètre lors de l’arrivée de neutrinos, s’ils n’interagissent avec rien? Et bien, ce n’est pas tout à fait vrai qu’ils n’interagissent avec rien. Lorsqu’un neutrino rencontre un atome de chlore, il le transforme en atome d’argon. Ceci dit, ce n’est pas comme ça qu’on mesure la vitesse des neutrinos (cette technique de détection, la plus ancienne, nécessite la présence d’un réservoir rempli de plusieurs tonnes de tétrachlorure de carbone. Après le passage soupçonné des neutrinos, on purge le fluide avec de l’hélium, qui enlève l’argon. En refroidissant l’hélium, on récupère l’argon s’il y en a. Et s’il y en a, c’est qu’un neutrino est passé par là. Un peu archaïque comme méthode de détection. Heureusement, il y en a d’autres, comme le détecteur à film photographique, justement utilisé dans l’expérience OPERA: des couches photographiques sont alternées avec des feuilles de plomb, afin de détecter l’oscillation du neutrino muonique en neutrino tauique (deux des trois saveurs existantes de neutrinos). Le développement des films photographiques permet de reconstruire la topologie de l’interaction. Si certains détails vous échappent, rassurez-vous, vous n’êtes pas les seuls. Mais cela a au moins le mérite de répondre à une question qui en tarabustait sans doute plus d’un et qui m’obsédait légèrement.

Venons-en à l’expérience à proprement parler

Depuis 2006, le supersynchrotron à protons du CERN – un petit accélérateur également nommé SPS, nous en avions parlé dans le dossier sur le CERN - envoie des neutrinos au laboratoire du Gran Sasso, à l’Aquila, dans les Abruzzes, à 130 km au N-E de Rome. Pas besoin de tunnel pour envoyer les neutrinos, puisqu’ils traversent la matière. Par l’autoroute: 940 km (j’ai testé sur Google Maps). Pour les neutrinos, qui traversent en ligne droite sans s’embêter avec la courbure de la Terre: 732 km.

L’expérience internationale OPERA, qui se déroule dans le laboratoire du Gran Sasso, étudie les oscillations de neutrinos. C’est pour cette raison que le CERN lui fournit les précieuses bêbêtes. En 2009, quelqu’un a eu la bonne idée de se demander à quelle vitesse les neutrinos envoyés depuis Genève circulaient, sans doute pour s’assurer qu’ils n’étaient pas ralentis dans leur course par une interaction quelconque ou des douaniers bégueules. Ralentis, tu parles. Ils sont arrivés plus vite que ne l’auraient fait des photons circulant à la vitesse de la lumière dans un tunnel sous vide. Personne n’a cru au résultat bien entendu. Et c’est là que ça devient intéressant. Le papier publié sur Arxiv.org le 22 septembre par le CERN raconte tout en détail. Il contient tout sauf des airs de triomphe face à une relativité remise en question.

L’esprit de la publication

Les 24 pages que compte l’article du CERN commencent par deux pleines pages de signatures. Pas moins de 174 scientifiques ont participé à l’expérience. 174! Ce n’est pas juste un professeur Tournesol tout seul dans son coin, on parle ici de proportions démentes! Ces 174 chercheurs sont tous partis du principe – commun en sciences – que les résultats étaient invalides et qu’il n’y avait qu’à le démontrer. Si les données donnaient un résultat pareil, c’est qu’il y a avait une erreur dans les données. Pour qu’il y ait erreur dans les données – pourtant systématiquement rigoureusement identiques – il fallait qu’il y ait erreur dans les mesures. Ils ont passé 3 ans à traquer systématiquement toutes les erreurs qui pouvaient expliquer la différence entre les résultats attendus et les résultats observés. On a commencé par équiper les deux laboratoires d’horloges atomiques synchronisées dont la précision a été validée par 3 instituts métrologiques indépendants. On a recalibré tout ce qui oscille ou vibre. On s’est assuré qu’on mesurait bien les faisceaux à partir du bon point de départ jusqu’au bon point d’arrivée, au millimètre près. On a placé les antennes GPS à 10 mètres du point de départ et d’arrivée. On a corrigé les cartes à l’issue d’une campagne géodésique dédiée, s’assurant d’une précision au millième de millimètre. On a tenu compte des marées, des rayonnements cosmiques, du déplacement de la croûte terrestre suite au tremblement de Terre d’avril 2009 dans les Abruzzes… Chacun de ces points a bien sûr été assorti d’une marge d’erreur. Rien n’y a fait: en additionnant toutes les erreurs maximales possibles, on obtient toujours une différence. Les neutrinos arrivent toujours 60 nano-secondes trop tôt, soit 1/40’000^e trop vite, malgré une marge d’erreur cumulée de ± 7.4 ns. À ce stade, les chercheurs estiment avoir pensé à tout. Après 16’111 essais, ils n’ont plus aucun boulon à resserrer, plus aucun calibrage à re-régler. Mais ils n’arrivent toujours pas à y croire: il doit y avoir une autre explication. C’est dans cet esprit qu’ils ont livré leurs conclusions à la vindicte de leurs collègues scientifiques du reste du monde: “Nous avons fait tout ce que nous avons pu, merci de prendre le relais si vous avez des idées plus fraîches”.

Les conséquences en termes de communication

Évidemment, ce n’est pas comme ça que les médias grand public ont relayé l’information, mais plutôt à grands renforts de titres sensationnalistes genre “L’univers mis sens dessus dessous! Einstein s’est planté!” comme s’il s’agissait d’une certitude. Et évidemment, quand les chercheurs viennent après ces gros titres en affirmant “en fait, on ne sait pas, on n’est pas sûrs”, ils passent pour des rigolos. D’où l’indignation de certains scientifiques qui estiment que ces résultats n’auraient jamais dû être communiqués, comme l’astrophysicien et cosmologiste Martin Rees de l’Université de Cambridge (l’auteur de “Just 6 Numbers“, un best-seller sur les constantes fondamentales), qui rappelle que toute découverte extraordinaire doit être accompagnée de preuves extraordinaires, ou encore le physicien américain Lawrence Krauss (l’auteur de “The Physics of Star Trek“) qui estime qu’il n’était pas raisonnable de publier ces résultats sans fournir un modèle explicatif.

(D’autres réactions sur http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=ftl-neutrinos)

De nombreux spécialistes considèrent détenir déjà la preuve que ces résultats sont impossibles à cause d’une autre expérience grandeur nature: en 1987, une puissante supernova a inondé la terre de lumière et de neutrinos. Les détecteurs ont observé l’arrivée de neutrinos 3 heures avant l’arrivée de la lumière! Cela est dû à la légèreté des neutrinos qui leur a permis de partir plus tôt en s’échappant du noyau de l’étoile en train d’exploser, tandis que les photons, absorbés et réémis à plusieurs reprises n’ont pas pu prendre cette avance. Si l’effet mesuré par OPERA est réel, eh bien, les neutrinos de 1987 auraient dû avoir 4 ~~heures~~ ans d’avance sur la lumière et pas 3 heures! (Voir l’article de Wired qui récapitule très bien tout ça et merci à Jorj X. McKie d’avoir repéré mon erreur. On parle bien de 4 ans et pas de 4 heures!)

Ceci dit, on a pu lire des choses marrantes depuis l’annonce, comme le physicien Chang Kee Jung qui a annoncé publiquement qu’il ne parierait pas sa femme et ses enfants mais qu’il pariait volontiers sa maison que les résultats sont erronés. Ou plus modeste, le Professeur Jim Al-Khalili de l’Université du Surrey, qui s’est déclaré prêt à manger son caleçon si les résultats sont corrects.

Mais bon, malgré ces anecdotes, un constat s’impose: la communication n’a pas été particulièrement adroite. C’est peut-être les limitations de l’effet d’annonce par Twitter… 160 signes pour donner du contexte, c’est un peu court. (L’annonce originale a été faite via un tweet de Reuters)

Quelles conséquences si les observations sont correctes?

Difficile à dire, évidemment, chacun y va de sa petite hypothèse.

J’aime bien la tentative du Dr Karl, le Monsieur Sciences de la radio australienne. Il n’échappe pas au consensus en estimant qu’il y a 99.9% de chance qu’il y ait une erreur dans les résultats et un 0.1% de chance que ce soit correct. Interrogé sur les conséquences qu’il envisageait si les résultats se vérifient, voici ce qu’il a raconté (dans un podcast de la BBC, à 5 minutes environ du début):

Au début du XIXe siècle, on avait cet énorme problème: en se basant sur les mathématiques et la physique de l’époque, le soleil était plus jeune que la Terre. Plus jeune! C’est fou! Les géologues disaient: “La Terre est vraiment vieille. Elle a bien plus que 6’000 ans. Elle a au moins 20 million d’années! (On sait aujourd’hui qu’elle est bien plus vieille encore que cela) Et les physiciens répliquaient: OK, nous, on connaît la taille du soleil, on connaît sa distance. S’il est fait d’une énergie comme le charbon par exemple, il se serait totalement consumé en 100’000 ans environ.” D’où l’énorme problème, puisqu’on savait qu’il égayait joyeusement la terre de ses rayons depuis au moins 20 millions d’années.” Pour régler ce problème, et comprendre comment fonctionne le soleil, il a fallu découvrir la radioactivité. La radioactivité nous a donné la physique quantique. La physique quantique nous a donné l’électronique. L’électronique nous a donné la situation qui veut que n’importe qui puisse utiliser un satellite pour trouver un bar à pizza le samedi soir. Sans cette découverte – la radioactivité – , on n’aurait pas d’électronique donc pas de GPS. De la même manière, si cette histoire de neutrinos devait déboucher sur une nouvelle physique, cela ouvrirait le monde à un éventail insoupçonné d’applications. Par exemple, cela pourrait être le méta-transfert instantané, d’Europe en Australie. Qui sait? On n’en sait rien… Comme les chercheurs du XIXe, nous ne savons pas encore dans quelle direction chercher, nous n’avons pas encore les bons outils.

En d’autres termes, si on passe à côté de quelque chose, eh bien, par définition, on ne sait pas de quoi il s’agit. Et quand on le saura, on verra le monde avec un regard complètement différent.

Antonino Zichichi, un physicien théorique et professeur émérite de l’Université de Bologne estime quant à lui que si les résultats sont corrects, cela veut peut-être dire que les neutrinos détectés par Opera ont “glissé” à travers des dimensions spatiales supplémentaires avant d’arriver, comme le prévoit la théorie des cordes.

Et Einstein dans tout ça?

La théorie de la relativité restreinte, formalisée en 1905 par Albert Einstein a permis d’établir les liens intrinsèques entre le temps et l’espace. Einstein a pu démontrer que le temps n’est pas une notion absolue mais relative. L’observateur ne subit pas le temps de la même manière selon qu’il se déplace ou non dans l’espace: les horloges ralentissent dès lors qu’elles sont en mouvement. L’exemple le plus frappant est le fameux paradoxe des jumeaux: on prend deux jumeaux, on en envoie un faire un petit tour de la galaxie en fusée à un vitesse proche de la vitesse de la lumière tandis que l’autre reste sur terre. Et bien, au bout de quelques dizaines d’années, quand la fusée revient, l’individu qui a voyagé n’a pris que quelques rides, tandis que son jumeau resté sur terre est déjà un vieillard grabataire. Car le temps ne s’est pas écoulé à la même vitesse pour les deux. (Update: merci à Ethaniel pour son commentaire. Effectivement, le paradoxe ne réside pas là. Mais on en parlera une autre fois; je voulais juste illustrer le fait que le temps passe plus vite pour celui qui se déplace par rapport à celui qui reste en phase avec son référentiel galiléen) Plus on se déplace vite dans l’espace et plus le temps ralentit. Cette théorie a été maintes fois démontrée, ne serait-ce que par le GPS: le temps ne s’écoule pas à la même vitesse selon que l’horloge se trouve sur terre ou en orbite à 20’000 km de celle-ci. La relativité restreinte indique que l’horloge embarquée dans chacun des 24 satellites va retarder par rapport à celle qui se trouve sur terre. Retarder de beaucoup. La relativité générale indique au contraire qu’elle va avancer en raison de la faible gravitation. Avancer d’un tout petit peu. L’une dans l’autre, les horloges doivent être resynchronisées en permanence en tenant compte des calculs des deux théories. Sans cette compensation “relativiste”, le système GPS perdrait en précision de quelque 10 km par jour, ce qui le rendrait tout à fait inutile.

Et bien, pour fonctionner, la théorie de la relativité restreinte prévoit que la vitesse de la lumière est une limite absolue que rien ne saurait dépasser. Et la relativité générale démontre qu’il faudrait à un objet une quantité infinie d’énergie pour dépasser la vitesse de la lumière, ce qui pose un petit problème de ressources.

Ceci dit, ce ne serait pas la première fois qu’une théorie – pourtant vérifiée systématiquement – serait revue et corrigée à la lumière d’un éclairage nouveau. La relativité générale d’Einstein avait déjà supplanté la gravitation de Newton. Ou plutôt, elle l’a intégrée. La gravitation newtonnienne a été englobée dans un modèle plus large. On sait aujourd’hui que la relativité est un modèle suffisant pour expliquer la réalité à une certaine échelle – la nôtre -, mais qu’elle n’est pas compatible avec la mécanique quantique – dans l’infiniment petit – et on ne sait pas très bien comment elle s’articule avec les notions de l’infiniment grand comme l’énergie noire par exemple. On sait depuis longtemps qu’elle est vouée à être remise en question tôt ou tard. La ou plutôt les théories des cordes, la théorie M, la gravité quantique à boucles sont autant de pistes pour expliquer la réalité à toutes les échelles, mais aucune n’a encore pu être formellement démontrée. Il faudra pourtant bien un modèle théorique permettant d’expliquer ce qui est déjà observé aujourd’hui, comme l’intrication quantique soit ~~la communication~~ (update: merci à tous de vos remarques. Il ne s’agit pas de communication, ce qui impliquerait le principe de localité, qu’on n’observe justement pas dans le cas de l’intrication!) l’interaction instantanée entre deux particules, non seulement au niveau quantique, mais également à notre échelle… Quelle que soit la distance qui les sépare. (Par “instantané”, il faut entendre: plus rapide que la lumière…)

Qui sait… Tout cela va peut-être conduire la relativité à se retrouver englobée dans un modèle plus large à son tour. Et peut-être pas… L’avenir nous le dira

La suite des opérations

L’expérience MINOS, du Fermilab près de Chicago, va passer les 6 prochains mois à chercher, de son côté, à reproduire l’expérience de manière complètement indépendante, pour comparer les résultats. On notera toutefois que l’expérience MINOS fut la première, en 2007, à trouver un résultat similaire (les neutrinos sont arrivés plus vite que prévus), mais personne ne s’est acharné à vérifier tous les paramètres, comme au CERN. On a conclu à l’époque à une erreur de mesure et on a classé l’affaire.

L’expérience T2K, au Japon, va également chercher à reproduire l’expérience.

Et bien sûr, l’expérience OPERA se poursuit.

Affaire à suivre, donc. On reviendra sans doute dessus dès qu’il y a du nouveau.

Encore une petite ressource pour la route:

Une vidéo d’Univers Science TV (17 min): Interview de Jacques Marteau (l’un des chercheurs d’Opéra)

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Podcast science 36 – l’énergie noire (mp3)

On 12.05.2011, in mp3, by Podcast Science

Podcast Science 36 - L'énergie noire [ 49:12 | 45.06 MB ] Play Now | Play in Popup | Download (4786)

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Cette semaine, Mathieu nous entraîne aux confins de l’univers, avec son sujet très attendu sur l’énergie noire…

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Podcast science 36 – l’énergie noire

On 12.05.2011, in Notes d'émission, by Podcast Science

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Bonjour à toutes et à tous!

- si vous avez reçu un fichier MP3 bizarre dans votre lecteur de podcasts, toutes nos excuses, c’était le DERNIER souci du genre, dès la semaine prochaine, nous aurons migré nos flux RSS. Sincèrement désolés.

Le dossier de la semaine

L’énergie noire, par Mathieu

Les news de la semaine

clin d’oeil aux paraskevidékatriaphobes (les personnes atteintes de la phobie du vendredi 13). C’est le seul vendredi 13 de l’année. Le prochain en janvier 2013 http://fr.wikipedia.org/wiki/Vendredi_treize
Période marquée par des résultats contradictoires pour la théorie de la relativité générale :
- D’une part, le dernier Science & Vie (Merci Thibaut Lacroix!) consacre sa Une à la remise en question de la théorie d’Einstein et de la matière noire en passant, résumé:
  - en 1915, Albert Einstein formule la théorie de la relativité générale qui ne voit plus la gravitation comme une force d’attraction à la matière environnante mais comme une modification de la trame de l’espace-temps. Cela pose les bases de la cosmologie moderne;
  - Mais en 1933, l’astronome suisse Fritz Zwicki n’arrive pas à expliquer pourquoi ses observations de galaxies lointaines n’obéissaient pas aux lois d’Einstein et en déduit qu’il doit exister une matière invisible, la matière noire qui exerce elle aussi sa propre gravitation;
  - Un astronome américain, Stacy Mac Gaugh de l’Université du Maryland, est formel: il a passé ces 15 dernières années à observer 47 galaxies et il n’a pas besoin de la matière noire pour justifier les mouvements observés. L’animation des étoiles correspond à leur masse visible, comme si la matière noire n’existait pas et répond systématiquement aux règles prévues par une théorie postulée en 1977 par deux autres astronomes américains, Brent Tully et Richard Fisher (et qui ne correspond ni aux prédictions de Newton ni à celles d’Einstein). Tout se passe comme si la matière noire n’existait pas.
  - Si la matière noire n’existe pas, alors la théorie de la relativité générale est-elle toujours valide?

Article en ligne: http://www.scribd.com/doc/54316244/Einstein-depasse-

- D’autre part, dans le même temps, une news partagée sur Google Reader par Jorj x McKie nous indique que la sonde Gravity Probe B (GP-B) de la NASA a confirmé 2 prédictions-clé dérivées de la théorie de la relativité générale d’Einstein:

L’expérience, lancée en 2004, utilise 4 gyroscopes ultra précis pour mesurer un hypothétique effet géodétique, la déformation de l’espace et du temps autour d’un corps gravitationnel, et la quantité d’Espace-temps qu’il entraine avec lui lors de sa rotation.

GP-B, en orbite polaire autour de la Terre, a analysé ces effets en pointant vers une seule étoile : IM Pegasi (constellation de Pégase). Si la gravité n’affectait pas l’Espace et le Temps, les gyroscopes de GP-B pointeraient toujours vers la même direction. Mais, en confirmation des théories d’Einstein, les gyroscopes ont expérimenté des changements infimes dans la direction de leur rotation, alors que la gravité de la Terre les attirait.

Le projet GP-B est très ancien. Le financement initial de la NASA visant à développer un test de la relativité générale utilisant un gyroscope date de l’automne 1963. Des décennies de développement ont conduit à des technologies permettant de contrôler l’impact des perturbations de l’environnement sur la sonde telles que la trainée aérodynamique, les champs magnétiques et les variations thermiques.

GP-B a terminé ses opérations de collecte de données en décembre 2010. Les résultats ont été publiés dans le journal Physical Review Letters

(via http://guydoyen.fr/2011/05/07/espace-temps-la-sonde-gravity-probe-b-confirme-2-theories-d-einstein/ )

Enfin, pour comprendre de quoi on parle exactement, Olivier Tripet a publié sur notre page Facebook le cours d’un prof de physique de l’Université de Pittsburgh, en Pennsylvanie (Etats-Unis), super accessible, vraiment bien: http://www.pitt.edu/~jdnorton/teaching/HPS_0410/chapters/index.html

Bref… Au rayon des choses sérieuses,

La fameuse quote de Mathieu

Le Critère de Karl Popper :

“Ce qui est scientifique doit être réfutable”

A méditer…

Prochain enregistrement le jeudi 19 mai. D’ici là, une excellente semaine à toutes et à tous!

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Dossier – L’Origine de l’Univers

On 03.02.2011, in Dossiers, by Mathieu

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Retranscription et récapitulatif d’un entretien avec Etienne Klein enregistré dans l’émission Ombres et lumières sur l’origine de l’Univers de Ciel et Espace Radio, entretien dans lequel il parle de son dernier ouvrage “Discours sur l’Origine de l’Univers”

La Cosmogonie

La cosmogonie tente de décrire la formation de l’Univers, alors que la cosmologie est la science qui s’intéresse aux lois qui gouvernent l’Univers en tant que système physique.

Il paraît qu’il n’y a pas de culture sans cosmogonie (à vérifier auprès des anthropologues…).

Nature ontologique et législative de l’Univers

Avant Galilée on considérait qu’il existait un monde sub-lunaire fait d’une matière de 4 éléments et un monde supra-lunaire constitué d’une autre essence.
- Donc 2 mondes constitués de 2 matières différentes.
Galiléeest probablement le premier à avoir décrit la notion d’Univers:
- Il dit qu’il existe un seul monde constitué d’une seule matière partout la même (unité ontologique).
- Il dit aussi que les lois de l’Univers sont les mêmes en tout point de l’Univers (espace) et à tout instant dans l’Univers (temps), elles sont universelles (unité législative):
Au sens moderne du terme, ce sont ces 2 unités (ontologiques + législatives) qui permettent de définir ce qu’on appelle un Univers.

Le Néant

La plupart des cosmogonies qu’on trouve dans toutes les différentes cultures envisagent que l’origine de l’Univers est issue du Néant, au sein duquel la lumière est apparue, et c’est ce qui a déclenché l’apparition d’un Univers en évolution.
Les chinois:
- ne se posent cependant pas la question de l’origine, car ils n’ont pas la notion de Néant.
- Pour eux, il y a toujours eu un Etre qui n’a pas cessé de se tranformer et de subir des mutations tout au long de son histoire qui n’a pas eu de commencement.
Le questionnement sur l’origine n’est pas aussi universel qu’on veut bien le croire, mais il est très présent dans la plupart des cultures (en l’occruence dans la judéo-chrétienne).
Si on essaie d’imaginer le Néant en fermant les yeux, tout de suite on en fait quelque chose.
Chaque fois qu’on pense le Néant, on lui attribue des propriétés qui le distingue du Néant.
L’idée de Néant est donc une idée destructrice d’elle-même.
On voit donc qu’on a de la peine à décrire le concept de Néant.

Le mot Origine

Le sens du mot “Origine” porte généralement l’idée:
- du passage de l’absence de toute chose à quelque chose.
- de la transformation du Néant qui devient autre chose que lui-même.
Cependant, cette idée de transformationliée au mot “Origine” n’est généralement pas présente quand on veut décrire l’Origine de l’Univers.
- On constate souvent que quand on parle d’Origine de l’Univers, on a plutôt tendance à décrire quelque chose en amont qui permet d’expliquer comment la chose (en l’occurence l’Univers) dont on veut décrire l’Origine est apparue.
- Autrerment dit ce qu’on appelle Origine est en réalité l’achèvement d’un processus antérieur qui a fait apparaître la chose (en l’occurence l’Univers) dont on dit qu’on a compris l’Origine.
- Donc dans ce discours le mot Origine devient synonyme de Conclusion! Ce qui peut sembler être un paradoxe!
Notre culture a aussi tendance à nous emmener vers l’idée que si l’Univers a eu une histoire, c’est qu’il a eu un commencement et ce commencement résulte d’une Création et non d’une Transformation.
- On met généralement en scène un être transcendant (par exemple Dieu) dont l’action sur le Néant a permis de créer l’Univers.
- On parle d’ailleurs plutôt d’un Dieu réduit à sa fonction de créateur de l’Univers et non d’un Dieu garant de la perduration du monde.
- Selon notre mode de pensée, l’Univers n’est pas né du Néant, on ne décrit pas l’Univers comme le résultat d’une transfomation à partir du Néant, notre Univers serait plutôt le résultat d’une Création.
En Occident, on a de la peine définir le changement (et notamment le changement orginel), à penser et décrire un état intermédiaire de transition entre le Non-Etre (Néant) et l’Etre (Univers).
Les grecs avaient aussi relevés une contradiction entre le concept de changement et l’idée d’identité:
- Si une chose a changé, c’est qu’elle cesse d’être elle-même (puisqu’elle a changé).
- Si au contraire, elle reste identique à elle-même, c’est qu’elle n’a pas changé.
Par exemple, quand on dit: “Une feuille d’arbre a changé” (elle était verte en été, elle est jaune en automne)
- On pourrait très bien pensé et dire que: “La feuille verte a été remplacée par la feuille jaune”
  - Ce changement (apparant) pourrait donc se traduire par un remplacement.
  - Mais en réalité ce n’est pas ce qu’on veut dire.
- On veut en réalité dire: “La couleur de la feuille de l’arbre a changé” (une propriétéde la feuille a changé, mais ça reste la même feuille).
  - Le sujet du verbe changer (la feuille) est précisément ce qui n’a pas changé dans la transformation.
Donc d’une manière plus générale, quand on dit que x a changé, le sujet du verbe changerx est précisément ce qui n’a pas changé.
- On conceptualise le changement en utilisant la notion d’identité (donc d’invariance).
Notre langue en est en partie responsable car elle est ontologique:
- nous désignons des objets et leur donnons une identité (chaise, vélo, étoile…).
- La transformation se caractérise par un changement de la propriété de l’objet et non de l’objet lui-même (qui reste présent avant et après la transformation).
- On peine à considèrer l’idée opposée qui consiste à dire que c’est la transformation elle-même qui est à l’origine des objets et de l’Univers (un objet est la manifestation d’une transition).

L’Origine de l’Univers

Notre manière de conceptualiser le changement en utilisant la notion d’identité fonctionnne-t-elle pour expliquer l’origine de l’Univers et des objets qui le constituent?

Origines secondaires

Pour décrire les origines des objets qui constituent l’Univers (tables, voitures, atomes, étoiles, galaxies…), notre manière de conceptualiser le changement avec la notion d’invariance fonctionnne:

par exemple les atomes sont formés dans les étoiles, et leur origine est le résultat d’une réaction nucléaire entre protons et neutrons (nucléons) appelée nucléosynthèse (fission, fusion nucléaire).
Ce sont les changements dans l’organisation de ces nucléons (via les réactions nucléaires) qui ont fabriqués les atomes.
On arrive donc à décrire ce changement en terme d’invariant:
- Dans ce cas, les invariants sont les particules fondamentales (nucléons) qui étaient là avant et qui se combinent autrement pour former les noyaux d’atomes dans les étoiles.
- On explique l’origine de la vie à partir des ingrédients préalables qui permettent l’apparition de la vie.
- On explique l’origine des êtres physiques en invoquant d’autres êtres physique.
- L’explication des origines secondaires est immanente.
Pour des objets d’origines secondaires, conceptuellement on explique l’Etre par l’Etre.

Vu qu’on est capable de décrire l’origine relative des objets qui constituent l’Univers, on croit être capable d’aller plus loin et pouvoir décrire l’origine de l’Univers lui-même.

Origine primaire

Pour décrire l’origine de l’Univers (sans action créatrice), est-ce que cette conception du changement qui conserve cette notion d’identité tient encore la route?

Si le Néant devient l’Etre (l’Univers), c’est qu’il y a un changement.
Mais selon notre conception, pour qu’il y ait changement, il faut que quelque chose ne change pas au cours du changement.
Qu’est ce qui dans le Néant peut ne pas changer, pour que le Néant devienne autre chose que lui-même?
On arrive au noeud irréductible de la question…
Car quand on veut expliquer comment le Néant a pu cesser d’être le Néant, on lui attribue alors des propriétés qui font que le Néant n’est plus le Néant (le Néant c’est le Rien, il ne peut avoir de propriétés).

Théorie unifiée du Tout

Parle-t-on d’unification ontologique?
- Dans l’espace il n’y aurait alors qu’une sorte d’objets (par exemple des supercordes).
- L’existence d’un élément fondamental qui engendrerait tous les objets présents dans notre Univers, objets qui acquièrent alors une origine secondaire par rapport à l’élément fondamental.
Parle-t-on d’unification législative?
- Le contexte et un certain nombre de conditions ont permi l’émergence de l’existence de l’Univers.
Il faudrait pouvoir unifier les lois de la relativité générale (infiniment grand: gravitation) avec celles de la mécanique quantique(infiniment petit: force électromagnétique, intéraction faible et intération forte) au sein d’un formalisme unique.
- Ces 2 modèles théoriques s’appuient sur des pilliers et statuts incompatibles:
  - La relativité générale décrit un espace-temps souple, dynamique et continu qui intéragit avec la matière qu’il contient.
  - La mécanique quantique décrit un espace-temps plat, statique et discret.
Une Théorie du Tout sera-t-elle capable de nous dire comment l’Univers est apparu?
- Lors de l’apparition de l’Univers, les lois physique sur lesquelles repose cet Univers étaient-elles déjà là en attente d’Univers de façon transcendante? (existaient-elles avant l’Univers?)
- Ou l’Univers crée-t-il plutôt en son sein ses lois physiques de façon immanente à mesure qu’il évolue?
Sera-t-on capable de trancher un jour cette question fondamentale? (l’oeuf ou la poule)
La question de l’origine de l’Univers est-elle un mystère (ne peut pas être expliquée) ou plutôt une énigme (un problème à résoudre)?
La question semble si difficile qu’on essaie de la simplifier conceptuellement en expliquant que l’Univers n’a pas d’origine!

L’histoire de l’Univers

On a compris que de manière générale, la plupart des objets qui constituent l’Univers ont une histoire et sont le résultat d’une évolution qui les a produit à partir d’états antérieurs qui ne les contenaient pas.

Mais dire qu’il y a de l’histoire dans l’Univers ne veut forcément pas dire que l’Univers a une histoire!

C’est au XIXème siècle qu’on a commencé à imaginer une histoire de l’Univers:

Quand on a élaboré la thermodynamique, on a appliqué les lois de la thermodynanmique d’une part aux objets qui constituent l’Univers, mais aussi à l’Univers lui-même.
=> on en a conclu que l’Univers arriverait à une mort thermique (à la fin de son histoire).

Plus tard, on a utilisé la théorie de relativité générale pour analyser l’évolution de l’Univers et décrire son histoire passée:

La relativité générale considère que l’Univers dans sa totalité est un objet physique.
- C’est-à-dire qu’on peut définir des paramètres physiques qui décrivent l’Univers tout entier.
Si on applique les équations de la relativité générale et qu’on remonte le temps, elles aboutissent à la description d’un Univers de plus en plus petit pour finalement terminer ponctuel.
Le physicien russe George Gamow a aussi montré que la contraction de l’Univers qui s’effectue lorsqu’on remonte le cours du temps correspond aussi à une élévation de température.
Donc l’Univers primordial semble avoir été:
- Beaucoup plus petit (volume nul)
- Beaucoup plus dense énergétiquement (densité infinie)
- Beaucoup plus chaud (température infinie)

De là est née la notion Singularité initiale et de Big Bang.

Le Big Bang semble donc correspondre à l’apparition de:
- la matière
- de l’espace
- du temps
- de l’énergie
Le Big Bang serait alors l’instant zéro correspondant à la création de l’Univers.

Pourquoi ne pas donc considérer cet état primordial, cette Singularité initiale comme l’origine effective de l’Univers? En réalité cette extrapolation qui nous permet d’arriver à l’instant zéro est abusive!

Quand on remonte le cours du temps, la densité de matière et la température deviennent de plus en plus élevées.
L’énergie des particules qui se trouvent dans l’Univers devient aussi de plus en plus élevée.
- Pour atteindre ces niveaux d’énergie, les particules ne sont plus soumises uniquement à la force de gravitation, elles subissent aussi l’effet des 3 autres forces fondamentales (électromagnétiques, l’intéraction forte et l’intéraction faible).
- Et ces 3 intéractions ne sont pas décrites par la théorie de la relativité générale (qui décrit uniquement la force de gravitation).
Il y a donc un moment quand on remonte dans le passé où les équations de la relativité générale n’arrivent plus à décrire ce qui se passe.
- Ce moment correspond au mur de Planck qui est apparu 10^-43seconde après le Big Bang.
  - Le mur de Planck peut être calculé à partir de la constante de Planck, l’une des 3 constantes fondamentales universelles (constante de gravitation, vitesse de la lumière et constante de Planck).
  - Le mur de Planck peut ainsi être caractérisé soit par un durée (temps de Planck = 10^-43 seconde), soit par une longueur (longueur de Planck = 10^-33 cm), soit par une énergie (10¹⁹ GeV).
- On ne peut pas intégrer les équations de la relativité générale au delà dur mur de Planck et donc à fortiori extrapoller à l’instant zéro correspondant au Big Bang.
- En amont du mur de Planck, nos théories physiques actuelles entrent en collision les unes avec les autres, le temps par exemple n’existe pas.
L’instant zéro apparaît donc comme un instant au-travers duquel l’Univers tel qu’il est décrit par nos lois physiques n’a jamais pu passer!

Pour passer le mur de Planck, et décrire l’évolution de l’Univers entre le mur de Planck et l’instant zéro, il faudrait pouvoir unifier au moyen d’un formalisme commun la théorie de la relativité générale (force de gravitation) avec la mécanique quantique (force électromagnétique + 2 intéractions nucléaires). Il existe quelques approches d’unification:

La théorie des cordes (théorie des supercordes: 10 dimensions – théorie M: 11 dimensions).
La théorie quantique à boucles (théorie de la gravitation quantique).

La théorie des cordes

Toutes les particules de la matière correspondent à des états de vibration uniques d’un particule fondamentale infiniment petite qui fait penser à une corde vibrante (dans un espace-temps multi-dimensionnel).
Si on tente de décrire l’Univers primordial avec la théorie des cordes, il arrivent un moment où les calculs deviennent trop compliqués et impossibles, car les cordes deviennent trop enchevêtrées.
Actuellement il n’est donc pas possible de décrire actuellement l’Univers primordial avec la théorie des cordes.
De plus la théorie des cordes ne peut pas être observée ni testée expérimentalement.

Cependant la beauté de la théorie des cordes réside autre part:

Elle décrit un espace-temps multi-dimensionnel (par exemple à 10 ou 11 dimensions) dans lequel il n’existe pas de gravitation.
Les objets qui sont dans cet espace-temps obéissent aux lois de la physique quantique et leur cinématique est décrite par la théorie relativité de la restreinte (théorie de la relativité qui ne prend pas en compte la gravitation).
Donc les prémisses de la théorie n’incluent pas la gravitation.
La beauté réside dans le fait qu’à partir des ces principes on aboutit aux équations de la relativité générale (qui elle intègre la gravitation).
- La théorie des cordes fait apparaître le graviton comme la particule responsable de la gravitation.
- La gravitation est donc déduite de la théorie des cordes, elle en est une conséquence.
La théorie des champs de la mécanique quantique peut aussi être prédite à partir de la théorie des cordes.

Mais la théorie des cordes nous dit une autre chose intéressante:

il ne peut y avoir dans l’Univers une température supérieure à un certain seuil de valeur finie.
la température dans l’Univers n’a jamais pu être infinie à aucun moment de son histoire et à aucun endroit de son espace!

Cette nouvelle notion nous amène à un scénario de Pré-BigBang:

Au lieu de dire l’Univers est né d’une explosion initale appelée Big Bang.
On dit que le Big Bang c’est le passage de l’Univers au travers d’une phase de contraction très dense et de réchauffement très intense jusqu’à atteindre la température maximale autorisée par la théorie des cordes, moment auquel l’Univers ne peut plus se contracter d’avantage car il a atteint la température maximale autorisée et du coup il rebondit sur lui-même.
Ce nouveau scénario supprime la notion de Singularité initiale et renforce la notion d’origine en terme de transition et changement.
- Le Big Bang n’est plus qu’une transition de phase de l’Univers.
- Il n’y a donc plus lieu de se poser la question du Néant et de ce qu’il y avait avant le Big Bang.

La théorie quantique à boucles

Cette théorie consiste à quantifier la gravitation.
Elle aboutit à l’idée que l’espace-temps est granulaire, discret, non-continu.
Il est composé des petits volumes élémentaires d’espace-temps (quantas ou atomes d’espace-temps) de taille non nulle et tel qu’on ne puisse pas avoir de volumes plus petits.
L’espace-temps ne peut pas être structuré en édifices plus petits que ces quantas.

Cette théorie nous amène aussi à un scénario de Pré-BigBang:

La notion de Big Bang comme Singularité initiale disparaît car la singularité correspond à un volume de taille nulle.
On dit que le Big Bang c’est le passage de l’Univers au travers d’une phase de contraction jusqu’à que sa taille corresponde à la taille d’un atome d’espace-temps, moment auquel l’Univers ne peut plus se contracter d’avantage car il a atteint la taille minimale autorisée et du coup il rebondit sur lui-même.
- On parle alors d’une cosmogonie cyclique.
- La notion d’origine disparaît à nouveau.

Le vide quantique

En mécanique quantique, les éléments fondamentaux de la matière sont formalisées par des quantas (états énergétiques) et représentées par ce qu’on appelle des champs quantiques (ondes).
Faire le vide c’est ce qui reste quand on a retirer toutes les particules (électrons, quarks, photons…).
Il ne reste alors plus que l’espace-temps (océan) dans lequel se trouvent des champs quantiques dans leur état d’énergie minimale (vague).
De là vient la notion de particule virtuelle, la particule n’existe pas, mais il existe par contre l’état de la particule dans son énergie minimale, énergie qui n’est pas assez intense (E=mc2) pour que la particule (électron…) existe et soit réelle.
Ce qu’on appelle le vide quantique, c’est l’espace-temps rempli de particules virtuelles.
Cette entité (espace-temps + champs quantiques) pourrait être la matrice de l’Univers (sa topologie).
Une fluctuation des particules virtuelles (champs quantique) de ce vide quantique aurait pu déclencher une expansion de l’Univers.
On imagine aussi la possibilité de milliards de fluctuations, avec à chaque fois l’apparition d’un nouvel univers => notion de multivers.
C’est comme si le vide ne pouvait pas rester tout à fait homogène, il serait instable.

L’Antimatère

Jusqu’en 1930, le monde des physiciens était exclusivement fait de matière composée de petites « briques élémentaires » appelées particules (électrons, protons, photons).
Le physicien Paul Dirac, pour résoudre une équation de physique, postulat qu’il devait exister une autre particule, identique à l’électron, mais ayant une charge électrique opposée (positive).
- Baptisée positron (antiélectron).
- Confirmé en 1932 en analysant les rayons cosmiques venant de l’univers.
La loi de Stigler est à nouveau vérifiée:
- loi selon laquelle une découverte scientifique ne porte jamais le nom de son auteur.
- la paternité du positron revient toujours à Paul Dirac alors que Jean Becquerel avait déjà postulé l’existence d’électrons positifs en 1908 dans un article.
Cette théorie fut ensuite généralisée à toutes les particules que nous connaissons et l’ensemble de ces nouvelles particules constituent ce qu’on appelle l’antimatière.
Cependant, il faudra attendre:
- 1955 pour découvrir l’antiproton.
- 1995 pour créer le premier antiatome (antihydrogène) au CERN.
La différence qui caractérise l’antimatière est la charge électrique opposée:
- Si on fait passer une particule et son antiparticule dans un champ magnétique, les 2 particules sont déviées dans des directions opposées.
- Les antiparticules ont la même masse et le même comportement physique que leur homologue de matière.
Comme les charges sont opposées, matière et antimatière s’attirent mutuellement:
- Lorsque matière et antimatière se rencontrent, elles se désintègrent et s’anihilent pour se transformer en énergie pure (E=mc²)
- La matière est convertie intégralement en énergie sous forme de photons (rayonnement gamma).
Pour étudier l’antimatière, les physiciens étudient de près ce qu’ils appellent la symétrie CPT(Charge-Parité-Temps):
- Lors d’une réaction particulière sur une particule, cette même réaction doit être observée sur son antiparticule mais de manière symétrique.
- Tout est inversé : la charge (positif Vs négatif), la parité (droite Vs gauche) et le temps (le temps doit s’écouler à l’envers).
- Un monde composé d’antimatière serait l’image de notre monde à travers un miroir.
Le problème, c’est que l’Univers n’est pas aussi symétrique qu’il n’y paraît:
- Une théorie pour devoir prendre en compte le Big-bang doit stipuler qu’à l’origine, matière et antimatière ont du être créées en même temps et en quantité égale.
- Si matière et antimatière étaient strictement identiques (en dehors de la charge électrique) et avaient été créées en quantités égales, on aboutit sur la non-existence de notre Univers, car matière et antimatière auraient du s’attirer très rapidement juste après le Big-Bang pour s’annihiler totalement.
- La réalité semble tout autre : nous sommes bien là et notre univers semble être composé quasi exclusivement de matière!
- Les astronomes et les cosmologistes auraient-ils perdu la moitié de l’Univers?
Ce qui peut expliquer cette observation est que matière et antimatière ne sont pas si symétriques que cela : on parle alors de violation de symétrie.
- Les symétries entre matière et antimatière sont parfois non respectées et pourraient expliquer pourquoi toute l’antimatière a disparue aujourd’hui au profit de la matière.

L’observation de l’Univers

Le téléscope Hubble:

Le téléscope spatial Hubble aurait détecté tout récemment la galaxie la plus distante jamais identifiée dans l’Univers.
La lumière observée en provenance de cette galaxie aurait été émise il y a 13,2 milliards d’années, soit seulement 480 millions d’années après le Big Bang (âge total de l’Univers 13,7 milliards d’années).
Mais les astronomes peuvent uniquement observer la lumière émise du fond diffus cosmologique après le mur de Planck (10^-43 seconde après le Big Bang).
L’Univers primordial ne peut donc pas être observé au-delà du mur de Planck.

Le LHC du CERN:

Un des postulats de la Physique nous dit que les lois de la Physique n’ont pas changé au cours du temps.
Au cour de l’évolution de l’Univers ce sont les conditions physiques qui ont changées (température…).
Grâce aux colisions de particules à hautes énergies, le LHC recrée aujourd’hui les conditions physiques du passé.
Comme les lois n’ont pas changé, on voit les phénomènes physiques du passé.
Cependant, les ordres de grandeurs sont incomparables:
- Au LHC, on fait des colisions de protons à des énergies 3,5 TeV par proton (3500 GeV).
- On fait donc des colisions entre 2 protons avec des énergies mises en jeu de 3,5 TeV + 3,5 TeV = 7 TeV = 7000 GeV
- 7000 GeV c’est l’énergie cinétique d’un moustique en vol:
  - énergie qui est cependant répartie sur tous les atomes de celui-ci, donc dans ce cas l’énergie par particule est relativement faible.
- Dans le cas du LHC, cette énergie est très concentrée sur un seul proton.
- Au moment du mur de Planck, l’énergie d’une particule n’était pas celle d’un moustique en vol comme l’expérimente le LHC, mais celle d’un TGV roulant à 300 km/h.
- Donc expérimentalement on voit qu’on est très loin des conditions physiques correspondant au mur de Planck.

Le AD (Décélérateur d’Antiproton) du CERN:

Fabriquer des antiparticules:
- il faut disposer d’un accélérateur de particules.
- En projetant des particules accélérées à grande énergie sur des cibles métalliques, on transforme l’énergie cinétique des particules en couple particule/antiparticule (E=mc² – ici l’énergie se transforme en masse – processus réversible).
Fabriquer des antiparticules est une chose, mais les physiciens veulent aller plus loin pour comprendre l’antimatière et pour cela, il faut fabriquer des antiatomes, c’est-à-dire un antinoyau formé d’antiprotons et d’antineutrons avec des positrons qui tournent autour.
- En 1995, le CERN a réussi créer les premiers atomes d’antihydrogènes (le plus simple des antiatomes, composé d’un antiproton et d’un positron qui tourne autour).
- mais ces antiatomes étaient trop volatiles, se désintégrant quasi instantanément et ne permettant aucune étude approfondie.
Le problème des physiciens n’est pas de « fabriquer » de l’antimatière mais de la « conserver» pour la manipuler et l’observer.
- A cause des grandes énergies mise en jeu, les antiparticules créées vont pratiquement à la vitesse de la lumière et si elles rencontrent une particule de matière, elles s’annihilent immédiatement !
Il faut donc littéralement pouvoir freiner et ralentir l’antimatière pour pouvoir l’étudier:
- Ce n’est donc plus accélérateur qu’il faut mais un décélérateur!
- Le décélérateur AD du CERN mesure 188 mètres de circonférence.
- Il permet de diminuer l’énergie d’antiprotons (de 3000 MeV à 5 MeV).
- En d’autres termes, les antiprotons sont ralentit au tiers de la vitesse de la lumière.
le 17 novembre 2010, l’expérience ALPHA a réussi à capturer (piéger) des atomes d’antihydrogène.
- Plus une particule est énergétique, plus elle est agitée et donc « chaude ».
- L’idée est donc de refroidir l’antimatière le plus possible.
- Les antiprotons sont envoyés à travers de pièges électromagnétiques pour les refroidir à environs -269°C (4 kelvins).
- On procède de même avec des positrons et on met l’ensemble (antiprotons + positrons) dans une espèce de bouteille électromagnétique jusqu’à ce que le positron (positif) se mette à tourner autour de l’antiproton (négatif) pour former un antihydrogène.
  - l’idée est d’empêcher que ces antihiydrogènes entrent trop en contact avec la matière et s’anihile.
- L’expérience ALPHA a montré qu’il est possible de conserver de cette manière des atomes d’antihydrogène pendant un dixième de seconde (un laps de temps suffisamment long pour pouvoir les étudier).
- Sur les milliers d’antiatomes produits par l’expérience ALPHA, 38, selon le dernier résultat, ont été capturés suffisamment longtemps pour pouvoir être étudiés.
En observant le comportement de ces antiatomes ralentis, on espère pouvoir mettre en évidence certaines des violations de symétrie.

La Physique dispose donc d’un arsenal théorique très puissant, mais qui ne nous dit pas encore comment sélectionner la bonne théorie qui expliquerait l’origine de l’Univers parmi toutes les théories candidates.

Car pour pouvoir sélectionner le bonne théorie il faut pouvoir faire des expériences!

Source:

http://www.cieletespaceradio.fr/ombres_et_lumieres_sur_l_origine_de_l_univers.657.RENC_001

http://science-for-everyone.over-blog.com/article-l-antimatiere-mise-en-boite-au-cern-61588417.html

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Dossier: la théorie des cordes (1/2), l’impossible réconciliation du micro et du macro

On 30.09.2010, in Dossiers, by Mathieu

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Cette semaine, il s’agit de poser le décor et d’expliquer dans quel contexte la théorie des cordes s’inscrit. La théorie elle-même sera abordée la semaine prochaine.

Un peu d’histoire d’abord:

Newton

Newton au XVII ème siècle a découvert la force de gravitation:

il comprend comment calculer la force de gravitation (F=mg).
il ne comprend pas comment elle fonctionne, quel en est le mécanisme fondamental, son essence.

Comme on le verra un peu plus tard, c’est ce qui va pousser Einstein à tenter de répondre à cette question pour comprendre comment fonctionne la gravitation

Selon la loi de la gravitation universelle de Newton:

le champs de gravitation du soleil maintient les planètes en orbite autour de lui.
si le soleil s’éteint, sa force de gravitation disparaît et les planètes sortent instantanément de leur orbite pour dériver dans l’espace.

Einstein

Selon la théorie de la relativité générale d’Einstein (1907):

rien ni la force de gravitation ne peut voyager plus vite que la lumière (300’000 km/s)
et la lumière met 8 minutes pour arriver à la Terre depuis le Soleil.
Comment donc la Terre pourrait-elle quitter son orbite instantanément (selon Newton) avant que l’obscurité n’arrive à la Terre?

Einstein propose une nouvelle approche de la force de gravitation pour résoudre ce conflit, en résumé:

il dit que le médium qui transmet la gravitation, c’est l’espace lui-même
Selon Einstein, les 3 dimensions de l’espace et la dimension du temps (en tout 4 dimensions) sont liées dans un même tissu espace-temps.
il dit que l’espace est lisse et plat si aucune matière est présente
Mais si de la matière est présente, comme le soleil par exemple, ça provoque:
- un déformation de ce plan
- une courbe dans l’espace-temps
On peut imaginer une pomme qui déformerait un drap/tissu flottant
Les astres et planètes évoluent le long de ce tissu et déforment l’espace autour d’eux
Leurs poids déforment la surface de l’espace-temps comme s’il s’agissait d’un trampoline
C’est cette déformation qui transmet la force de gravitation
Les déformations de la surface du tissu espace-temps seraient la cause de la gravitation
Le soleil a courbé l’environnement spatial autour de lui
- ce qui crée un sorte de vallée autour de lui
- la terre roule le long de cette vallée
- et c’est ce qui maintient l’orbite de la terre autour du soleil
cf image de l’espace-temps ci-dessous:

Wikipedia: Influence d'une masse (ici la Terre) sur l'espace temps

Selon cette théorie:

la Terre n’est pas maintenue en orbite autour du soleil à cause du champs de gravitation de celui-ci comme l’a décrit Newton
mais suit plutôt les courbes de gravité du tissu espace-temps générées par le poids du Soleil.
Ainsi si le Soleil disparaît, la variation de masse résultante créerait des ondes de perturbation (comme des vagues) sur le tissu espace-temps.
Ces ondulations voyageraient à la vitesse de la lumière jusqu’à la Terre qui sortirait alors de son orbite.
En fait la théorie de la relativité générale définit la force de gravitation comme des courbes dans le tissu espace-temps générées par des objets lourds (étoiles, planètes…)
Ce modèle décrit un Univers organisé et prévisible.

Il ne reste plus à Einstein qu’à unifier la force de gravitation avec l’unique autre force connue à cette époque, la force électromagnétique

et toutes les lois de l’Univers seraient ainsi décrites au moyen d’une seule équation maîtresse.

Force Electromagnétique

Ce sont les équations de Maxwell-Lorentz qui constituent le postulat de base qui permet de réunir en une seule force électromagnétique la force électrique et la force magnétique.
Pour Einstein, les équations de Maxwell-Lorentz et la théorie de la relativité générale réunies au sein d’une seule et unique théorie réveillerait la nature de l’Univers.
Mais Einstein se heurte à un problème, la force de gravitation est infiniment plus faible que la force électromagnétique.
Ce conflit rend incompatible une théorie unique de l’Univers.

La Mécanique Quantique

C’est alors qu’apparaît la mécanique quantique

qui étudie les interactions qu’il existe entre les particules infiniment petites qui composent la matière.
La mécanique quantique définit 2 nouvelles forces atomiques qui viennent s’ajouter à la force de gravitation décrite par Einstein et à la force électromagnétique définie par Maxwell et Lorentz:
- l’interaction forte (celle qui maintient unis les protons et neutrons au sein du noyau de l’atome)
- l’interaction faible (responsable de la radioactivité).
De plus, la mécanique quantique affirme qu’à l’échelle des particules règne l’incertitude.
C’est-à-dire, elle prône que l’issue d’une expérience est imprévisible (alors que pour rappel, Einstein décrit l’Univers comme organisé et prévisible!).
Les résultats ne peuvent uniquement être prédits qu’en termes de probabilité.
De plus, la mécanique quantique confirme que l’intensité des forces atomiques et de la force électromagnétique est infiniment plus élevée que l’intensité de la force de gravitation.

La différence d’intensité énorme qu’il existe entre les forces atomiques et la force de gravitation pose des problèmes:

Comment opère donc la force de gravitation au niveau des particules et quel est son rôle?
Elle est beaucoup trop faible pour maintenir unies les particules au sein du noyau.
Donc comment mettre en relation la force de gravitation et les forces atomiques?
Les équations de la relativité générale d’Einstein définissent très bien la force de gravitation comme une déformation du tissu espace-temps, mais quand on entre dans le monde sub-atomique la gravitation semble ne pas exister.
Les formules mathématiques de la mécanique quantiques expliquent très bien comment se comportent les particules sub-atomiques, mais ignorent complètement la force de gravitation.
- Elle n’en a d’ailleurs pas besoin pour décrire le mouvement des particules.
C’est pour cette raison que lorsque le mécanique quantique s’applique aux systèmes macroscopiques (du domaine de la relativité), elle ne fonctionne pas.

Trou noirs

Certains comportements de l’Univers, comme par exemple les trous noirs, ne peuvent pas être expliqués complètement.

Les trous noirs

se produisent lorsqu’une énorme quantité de masse (par exemple un étoile) est concentrée dans une toute petite zone de l’espace.
Cette énorme quantité de matière concentrée déforme le tissu espace-temps et le champ de gravitation résultant absorbe la lumière.
L’existence des trous noirs a été vérifiée grâce à des satellites qui ont découvert des régions de l’espace possédant un énorme champs gravitationnel.

La Question: Pour analyser les trous noirs faut-il faire appel à la théorie de la relativité générale car l’étoile est compressée en un point très lourd ou faut-il plutôt s’appuyer sur la mécanique quantique car l’étoile est minuscule ?

On voit que si on applique les deux théories elles se heurtent au niveau des résultats et leurs prédictions sont incohérentes.

Le Conflit existant entre les deux théories

Le fait que tant la relativité que la mécanique quantique ne fonctionnent pas dans certains scénarios implique qu’il y a quelque chose d’incomplet dans ces théories. Cela empêche d’élaborer une Théorie du Tout “parfaite” qui fonctionne toujours

- un modèle qui permettrait d’unifier et de réunir la théorie de la relativité générale d’Einstein (physique de l’infiniment grand) avec celle de la mécanique quantique (physique de l’infiniment petit).
- une Théorie unique du Tout capable de décrire tant les phénomènes du monde macroscopique que ceux du monde microscopique.
- qui permettrait de définir l’Univers à toutes les échelles.
- qui reflète les fondements ultimes qui régissent l’Univers.
- un modèle qui démontrerait au moyen d’une seule équation mathématique que toutes les forces de l’Univers sont régies par ces 4 forces fondamentales (gravitation, électromagnétisme, interaction forte et interaction faible).
- l’objectif est réellement d’atteindre l’expression mathématique finale qui nous amènerait à comprendre tout le Cosmos

La théorie des cordes

L’objectif de la théorie des cordes est de résoudre ce conflit.
La théorie des cordes est une approche complètement nouvelle de considérer la matière fondamentale et les forces qui agissent dans l’Univers.
Son originalité donnent des perspectives de pouvoir enfin unifier la théorie de la relativité générale avec celle de la mécanique quantique.
Son modèle mathématique basé sur les équations d’Euler

La suite, la semaine prochaine!

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Retour sur les neutrinos

Encore quelques réactions suite au départ de Mathieu

Sinon…

Le plug culturel

Et enfin la quote de Mathieu

Le dossier de la semaine

Le scoop de la semaine

Le reste de l’actu de la semaine

Et enfin, la quote de Mathieu

Avant de parler de l’expérience: qu’est-ce qu’un neutrino?

Comment intercepte-t-on des neutrinos?

Venons-en à l’expérience à proprement parler

L’esprit de la publication

Les conséquences en termes de communication

Quelles conséquences si les observations sont correctes?

Encore une petite ressource pour la route:

Le dossier de la semaine

Les news de la semaine

La fameuse quote de Mathieu

La Cosmogonie

Nature ontologique et législative de l’Univers

Le Néant

Le mot Origine

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Origines secondaires

Origine primaire

Théorie unifiée du Tout

L’histoire de l’Univers

La théorie des cordes

La théorie quantique à boucles

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L’Antimatère

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