La physique du 21ème siècle :    " Hasard  et  Harmonie  '

*

*    *

Introduction

Pourquoi une planche sur la physique me direz vous? Et quel rapport avec la franc-maçonnerie?

A un moment où voient le jour des polémiques nombreuses, alimentés par des pasteurs évangélistes américains  et certains auteurs français de best-sellers,  autour de la création (ou pas) de l'univers, du rôle joué par une force supérieur et infinie, et où les progrès de cette science  font dire à certains que la physique n'est pas loin de permettre de voir le « visage de Dieu » il m' a semblé nécessaire de faire le point sur le rôle et l'objectif de la physique d'une part et sur ses supposés liens avec la « métaphysique » et la religion.

Mais l'autre raison pour laquelle j'ai voulu faire cette planche est que la physique présente des points communs avec la franc-maçonnerie.  La physique cherche à percer la vérité des lois de la nature sans dogmatisme en utilisant la symbolique mathématique. Elle est « laïque ». En effet quand FF Pierre Simon de Laplace présente le fruit de ses recherches à Napoléon celui-ci  lui demande : « Où est Dieu dans tout cela ? »; et le scientifique de répondre : « Dieu est une hypothèse dont je n'ai pas eu besoin. » Autrement dit, pas besoin d'une divinité pour expliquer la nature et son fonctionnement, le mouvement des planètes et l'agencement des corps célestes.

Depuis l'origine l'homme a essayé de comprendre la nature, et quand il ne comprenait pas un phénomène il a crée des mythes comme la cosmologie antique, ou plus tard les religions. Les religions posent comme postulat l'existence d'une  force supérieur à laquelle l'homme se réfère quand il ne comprend pas.

Toutes les grandes civilisations ont eu leur propre perspective du cosmos. Les Incas, les Aztèques, les Mayas, les Africains, les Chinois, les Bouddhistes, les Hindous ont développé leurs propres cosmologies. Mais toutes ces théories étaient dans une large mesure considérées d'un point de vue religieux.

Je cite ici le physicien John Barrow: «  La cosmologie antique n'est pas scientifique. Sa raison d'être n'est pas plus d'expliquer les phénomènes observés que de faire des prédictions. Elle est plutôt de border un canevas de significations grâce auquel ses auteurs peuvent se présenter eux mêmes et référer l'inconnu et le mystérieux. L'organisation de la société peut alors être justifiée et renforcée en la calquant sur l'histoire des origines du monde ». 

Cette planche est divisée en quatre parties.

1.Un peu d'histoire pour placer cette science dans son contexte historique et voir le cheminement de la pensée
2. Les théories actuelles
3.Physique et métaphysique
4.Enfin quelques perspectives et/ou spéculations scientifiques

Je me suis inspiré pour faire ce travail de nombreux ouvrages, certains scientifiques d'autres plus grand public et d'articles parus dans des revues de physique ou sur le Web. Certaines définitions proviennent de Wikipédia.  Je donne à la fin de l'exposé une bibliographie  de tous ces ouvrages.

  • 1.Un peu d'histoire
  • Définition
La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la «science de la nature». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la nature ;  Au XXIe siècle, sa signification est plus restreinte;elle décrit de façon à la fois quantitative et conceptuelle les composants fondamentaux de l'univers, les forces qui s'y exercent et leurs effets. Elle développe des théories en utilisant l'outil  mathématique pour décrire et prévoir l'évolution de systèmes. La signification ancienne de la physique rassemble l'actuelle physique, la chimie et les sciences naturelles actuelles.

La physique n'accepte comme résultat que ce qui est mesurable et reproductible par expérience.

L'histoire de la physique se confond avec l'histoire de l'humanité. Il y a 5000 ans les hommes faisaient des observations et essayaient de reproduire des phénomènes. Les observations permettaient de constater la reproduction des phénomènes en cycles (cycle jour nuit, saisons...) et donc on en déduit que la nature obéit à des lois.  C'est sur les berges des fleuves du Tibre, de l'Euphrate et du Nil que les premiers observateurs scientifiques ont ainsi opéré; comme à Stonehendge et Carnac.

Dans l'antiquité (environ 500 ans avant JC) on essaye de comprendre la matière et l'univers. Les premiers physiciens de l'antiquité furent aussi des philosophes. La physique était l'une des trois branches de la philosophie.(la physique, l'éthique et la logique.)

Les philosophes dits pré-socratiques ont essayé de comprendre les phénomènes de la nature en rompant avec la tradition religieuse et mythologique en s'aidant d'observations méthodiques et rigoureuses comme par exemple l'étude des quatre éléments (l'air, l'eau, le feu et la terre).
 
Démocrite et Leucipe, les premiers philosophes atomistes, énoncent le principe de la constitution de l'univers par des atomes, particules élémentaires non sécables, et de vide. Cette théorie est basée sur l'observation des petites particules de poussière en suspension dans l'air. Il s'agit de la première théorie matérialiste. C'est encore un des postulats de la physique atomique et nucléaire aujourd'hui, même si, de nos jours, ces particules s'appellent des quarks ou des leptons.

Platon chercha à travers les éléments primordiaux symbolisés par des polyèdres, à expliquer la naissance du monde.
Aristote peut être considéré comme le précurseur de Newton en étudiant les causes du mouvement.

Épicure dans sa lettre à Hérodote a témoigné un vif intérêt pour l'étude de la nature. Je citerai ici son passage concernant l'univers: « L'univers est infini. En effet, ce qui est fini a une extrémité ; or, celle-ci est considérée par rapport à quelque chose qui lui est extérieur, de sorte que s'il n'a pas d'extrémité il n'a pas de fin ; mais s'il n'a pas de fin il est infini et non pas fini » . On se croirait en plein débat actuel entre les astrophysiciens qui s'interrogent pour savoir si l'univers est fini ou infini. Quel modernité!

En Asie à la même époque, le chinois Zou Yan (-300 ) explique que toute substance est un mélange de 5 éléments : la terre, l'eau, le feu, le bois et le métal.  Ces éléments interagissent grâce au principe du Yin et du Yang, deux forces opposées.

Au moyen age la civilisation Arabo-musulmane a permis de sauvegarder la science des grecs comme Aristote dont le premier livre « Physique » a donné son nom à cette science. Les principaux progrès scientifiques du Moyen-Age sont dus aux savants Arabes (mécanique, mathématiques) et indiens (invention du zéro).

Les débuts de la physique moderne comme on la conçoit aujourd'hui peuvent se situer au XVII siècle avec les observations de Galilée.
Mais la rigueur mathématique fut apporté par Descartes dans son discours sur la méthode, véritable traité sur la démarche des sciences dites « exactes », fondées sur les raisonnements logiques et la déduction. Cette démarche fit progresser la physique dans des domaines comme la mécanique classique, l'optique, le calcul différentiel, la géométrie analytique...
  • Newton le père de la physique moderne
Newton a mathématisé la nature. Trois siècles après on s 'étonne encore de la simplicité de la représentation mathématique des lois de la nature.

Dans son ouvrage « Principes mathématiques de la philosophie naturelle », publié en 1687, il énonce le principe de la gravitation universelle et pose les fondations de la mécanique classique moderne. Ses théories sont encore valables aujourd'hui et utilisées par les scientifiques et les ingénieurs du monde entier.

La méthode de Newton est basée sur l'observation rigoureuse des phénomènes et une formulation mathématique. Tout en étant croyant il pose déjà les frontières entre science et religion: « Tout ce qui n'est pas déduit des phénomènes, il faut l'appeler hypothèse ; et les hypothèses, qu'elles soient métaphysiques ou physiques, qu'elles concernent les qualités occultes ou qu'elles soient mécaniques, n'ont pas leur place dans la philosophie expérimentale. »

Ses lois fondamentales du mouvement stipulent:

1.Principe d'inertie: tout corps au repos reste au repos si aucune force extérieur n'est exercée sur ce corps. A rapprocher de l'ataraxie chère à  Démocrite et plus tard à Épicure pour designer le bonheur (ataraxie de l'âme: absence de trouble)

2.Principe de la dynamique: l'accélération d'un corps dépend de la force et de la masse. 

3.Principe de l'action réaction.

Les lois de Newton sont valables encore aujourd'hui pour expliquer la plupart des phénomènes de la mécanique de la vie courante (il s'agit de la mécanique classique). Mais les limites de ces lois vont vite pousser les scientifiques à chercher d'autres pistes pour expliquer  le  mouvement des planètes et l'infiniment grand avec une meilleur précision ou l'infiniment petit, et les interactions entres les particules élémentaires. Ce sera la naissance de deux théories majeures qui sont le fondement de la physique du 20ème siècle: la relativité générale et la physique quantique.

  • 2. Les théories actuelles
  • Physique quantique ou le Hasard roi.
La matière: l'univers est constitué de matière (nous verrons par la suite que la matière et l'énergie sont équivalentes) et de vide.
L'atomisme de Leucipe et Démocrite est une idée philosophique qu'aucune expérimentation scientifique vient corroborer. Pourtant l'atomisme est finalement devenu la pierre angulaire de la physique. On peut supposer que d'autres idées dépourvues de fondement de nos jours se révéleront à l'avenir des réalités.

Penchons-nous maintenant sur ce qui constitue la matière. Démocrite avait nommé la plus petite partie de cette matière «  atome » c'est à dire insécable.

Le modèle atomique de Bohr est resté longtemps la représentation la plus fidèle de la constitution de la matière dans ses plus petits constituants. Ce modèle très séduisant considérait que l'atome est  constitué d'un noyau dans lequel cohabitent des protons, des neutrons et des électrons qui gravitent autour du noyau comme les planètes autour du soleil. Des forces atomiques et nucléaires très importantes font que les neutrons et les protons sont très solidement liés.
La théorie actuelle sur la constitution de la matière s'appelle: le modèle standard.

Le modèle standard considère que la matière est constituée de particules élémentaires et de forces qu'on appelle des interactions fondamentales. Ces interactions sont plus ou moins fortes en fonction du rôle joué. Ainsi nous trouvons l'interaction forte responsable de la cohésion des noyaux atomiques; l'interaction faible responsable de la radio-activité beta, qui permet au soleil de briller; l'interaction électromagnétique responsable de l'électricité, du magnétisme, de la lumière ou encore des réactions chimiques et biologiques; et enfin la force de gravitation responsable de la pesanteur, de la marée ou encore des phénomènes astronomiques. Cette dernière est la plus faible des quatre.

L'énergie nécessaire pour extraire un électron de l'atome est relativement faible par rapport à l'énergie nécessaire pour casser le noyau. Dans ce noyau on trouve toute la poésie de la physique: des quarks pourvus de saveurs dénommés quark charme, quark strange, quark beauty ou quark truth.

Ainsi on sait maintenant que la transformation du plomb en fer, vieux rêve des alchimistes, est possible à condition de casser le noyau de plomb et de le reconstituer. Mais l'énergie nucléaire  nécessaire est disproportionnée à la valeur de l'or obtenu.
 
La physique quantique étudie les trois premières forces. La relativité générale étudie la force de gravitation.

Essayons maintenant de comprendre pourquoi et comment ces forces agissent pour donner des atomes stables, qui à leur tour grâce aux forces chimiques donneront des molécules, qui donneront des métaux comme le fer ou des cellules pour les êtres vivants.

La physique quantique a apporté une révolution conceptuelle qui se répercute jusqu'à la philosophie.

Le postulat de base est que l'énergie du rayonnement est discontinue. Cette théorie est celle de Planck et s'appelle la théorie de quanta d'où le nom quantique. Un rayon de lumière est ainsi constitué de plusieurs paquets de photons: les quantas.

Mais le théorème le plus paradoxal est celui de Schrödinger, qui montre avec sa fameuse équation qu'en réalité les particules élémentaires se comportent en même temps comme des particules et comme des ondes.

D'où ce paradoxe onde/ particule où l'on démontre et vérifie par l'observation qu'une « particule » peut passer simultanément par deux fentes et donnée des interférences, comme une onde.

Un autre paradoxe est le principe d'incertitude de Heisenberg: On ne peut pas connaître simultanément et avec une précision suffisante la position et la vitesse d'une particule.

De ces deux théorèmes découle cet extraordinaire principe du HASARD. Une particule peut en un instant t se trouver à n'importe quel endroit de l'espace sa position réellement observée est le résultat du hasard autrement dit d'une probabilité régie par les lois de la physique quantique.

Il ne s'agit pas là de spéculations mais de réalités démontrées tous les jours. Je vais vous raconté ici une expérience de pensée dite « le chat de Schrödinger »
Courtesy
@ Wikipedia
Nous enfermons un pauvre chat dans une boite munie d'un hublot. Dans cette boite, on met un atome radioactif. Un détecteur de radioactivité réglé pour fonctionner une minute, permet à l'aide d'un marteau relié au détecteur de casser une fiole contenant du cyanure dès qu'une désintégration radioactive est détectée. La physique classique nous dit qu'il n'y a qu'une chance sur deux pour que la désintégration ait lieu au bout d'une minute. Ainsi on observe par le hublot que le chat a une chance sur deux de s'en sortir vivant.
Mais en réalité la physique quantique nous dit que le chat, tant que nous n'avons pas regardé par le hublot, est mort et vivant. Les particules radioactives conformément à l'équation de Schrödinger, peuvent exister dans deux états superposés et simultanés. Mais dès que nous observons par le hublot il y a ce qu'on appelle décohérence et alors là le pauvre matou est soit mort soit vivant.

Dans le monde macroscopique la désintégration d'un noyau radioactif, un processus microscopique, se traduit par la mort du chat, un événement macroscopique.

La désintégration d'un noyau radioactif est un processus purement quantique qui se décrit en termes de probabilités. Il est impossible de prévoir quel noyau se transformera en premier ou bien quand la première désintégration se produira. La seule chose que nous puissions calculer est la probabilité qu'un certain nombre de noyaux se soient désintégrés après un temps donné.

Il est évident que l'affirmation « le chat est mort et vivant » est déroutante. Elle ne s'applique bien évidement pas au monde macroscopique mais elle illustre le fait qu'un objet quantique peut avoir des propriétés qui contredisent notre expérience quotidienne.
Cette approche a amené certains penseurs à imaginer deux réalités dans deux univers complètement parallèles et sans doute incapables de communiquer l'un avec l'autre une fois totalement séparés. C'est une des théories des multivers je reviendrai sur ce point plus loin.

Un autre paradoxe de la physique quantique est le phénomène EPR (Einstein, Podolsky, Rosen).

Il est basé sur une propriété des objets quantiques (photons de lumière, atomes, particules...) dite d'intrication quantique, parmi les plus mystérieux pour la compréhension humaine.

Voici ce paradoxe.  Deux objets quantiques séparés dans l'espace sont dits intrigués quand ils affichent des caractéristiques quantiques  corrélées, par exemple deux photons issues du même atome excité.
Lorsque deux particules sont dans un état d’intrication quantique, toute mesure de l’état de l’une d’entre elles, comme son énergie, sa vitesse ou encore son spin réagit instantanément sur l’état de l’autre, quand bien même l’un se trouverait dans notre galaxie et l’autre dans la galaxie d’Andromède.

L'univers abrite des connexions qui ne sont pas locales.

Pour illustrer ce phénomène, imaginez deux statues identiques, sorties du même bloc de marbre  donc intrigués. On déplace l'une des deux statues sur Mars. Supposons que sur la statue restée à terre nous cassons les bras (pauvre Venus de Milo...). Un observateur sur Mars verra son Venus perdre ses bras au même moment. Bien évidement le phénomène n'est valable que sur des objets quantiques et pas sur les molécules ou les corps humains. Star Trek n'est pas encore une réalité.

Grâce à ce phénomène, il est possible de téléporter de l’information quantique d’un système physique à un autre instantanément. (l'information voyagerai-t-elle à une vitesse supérieure à celle de la lumière?)

Ce phénomène permet aujourd'hui de fabriquer des machines de cryptographie dont le code est inviolable et des ordinateurs quantiques calculant à des vitesses bien supérieurs à celles des ordinateurs traditionnels.

  • Relativité générale ou Einstein l'intuition géniale
Le meilleur moyen pour parler de la relativité est de reprendre les mots même d'Albert Einstein:

« La théorie de la relativité est une théorie à principes. Pour la comprendre il faut avant tout saisir les principes sur lesquels elle est basée. Elle ressemble à une maison à deux étages. La théorie de la relativité restreinte et la théorie de la relativité générale. Depuis les temps des Grecs on sait bien que pour décrire le mouvement d'un corps on doit le rapporter à un autre corps. Le mouvement d'un véhicule est décrit par rapport au sol, celui d'une planète par rapport à l'ensemble des étoiles fixes visibles. C'est le premier principe de la relativité restreindre.

Le second principe de la relativité restreinte est le principe de la constance de la vitesse lumière dans le vide. »

De ces deux principes qui décrivent parfaitement la relativité restreinte découlent toutes les théories de l'espace-temps, de la contraction des longueurs pour un corps voyageant à une vitesse proche de celle de la lumière ou encore la dilatation du temps (alors que jusque là on croyait le temps immuable). D'où le paradoxe des jumeaux de Langevin:

Deux frères jumeaux sont nés sur la terre. L'un décide de voyager en empruntant un vaisseau spatial qui voyage à une vitesse proche de celle de la lumière. L'autre reste sur la terre. Au retour du premier celui-ci est plus jeune que son frère resté sur Terre.   En réalité il en ait rien pour des questions de changement de référentiel mais cette expérience de pensée montre que la relativité bouleverse toutes les notions statiques d'espace temps et ouvre la perspective des machines à explorer l'espace-temps de ce cher H.G Wells.

La généralisation de la relativité restreinte donne la relativité générale mais laissons de nouveau la parole à Einstein:
« Une théorie de la relativité générale doit fournir les lois de la gravitation... Les propriétés géométriques des corps et la marche des horloges dépendent des champs de gravitation, qui à leur tour, sont produits par la matière ».

Autrement dit la gravitation est produite par la masse des objets et la lumière peut être déviée par la gravitation. Ainsi on parle de la déformation de l'espace temps à proximité d'objets très massifs. Le temps  s'écoule plus lentement (comme sur la toile de Dali où on voit une montre allongée) à proximité d'un objet stellaire massif.  Les orbites des planètes sont ainsi expliqués par cette déformation, la planète suit la courbure de l'espace temps.  Imaginez l'espace temps comme une toile souple avec des creux et des bosses dues aux objets qui s'y trouvent. L'application pratique la plus connu est le GPS qui sans la correction relativiste indiquerai la position avec une précision de quelques kilomètres au lieu de quelques mètres actuellement.
  • Cosmologie
La cosmologie étudie l'univers en tant que système physique. Tous les modèles de l'Univers actuels se réfèrent aux équations d'Einstein.

Archimède comme la plupart des astronomes de l'antiquité pensait que l'univers était fini. Quand on parle d'univers fini on imagine une boule de matière constituée de planètes et d'étoiles plongés dans un néant. Les théories de la relativité générale et de la mécanique quantique, piliers de la physique moderne, nous montrent que l'univers peut être parfaitement fini sans pour autant avoir de frontière. Ceci grâce aux géométries non euclidiennes.

D'autres questions sont posées: l'univers est-il en expansion? Quelle est la courbure de l'univers? Quel est la nature de la matière noire? Y a t-il d'autres univers?  Ou encore quel est l'origine de l'univers? Etc.

Une erreur commune consiste à penser que le Big Bang est une théorie de l'origine de l'univers. Or le Big Bang retrace l'évolution cosmologique de l'univers depuis une petite fraction de seconde (10-43sec.) après ce qui a pu lui donner naissance mais ne dit rien sur l'instant zéro. Mais quid du temps avant cet instant zéro? Le temps existe- il? Nous en savons rien. La physique tente d'apporter des réponses objectives sans se laisser embarquer dans des discussions métaphysiques, apanage des « people » prétendus scientifiques qui parlent du  « visage de dieu ».  L'âge de l'univers a été calculé grâce à ce qu'on appelle « le rayonnement fossile », observé par hasard en 1963, par Penzias et Wilson. Il s'agit d'un rayonnement provenant de toutes les directions de l'Univers d'une température de 3°K très froid.  Il est évalué aujourd'hui à 13,7 milliards d'années.

Regardons maintenant comment l'univers a évolué depuis cet instant t de 10-43 secondes.

A cet instant l'univers est un amas de forces de lumière et d'énergie. À 10-35 secondes on assiste à une formidable inflation et à une gigantesque expansion de l'espace. Au bout de 10-11 secondes, les quatre forces connues actuellement (nucléaire forte, électrofaible, électromagnétique et gravité) vont se séparer. Ensuite la matière va dominer sur l'antimatière et au bout des trois premières minutes il y aura la création des noyaux d'atome. C'est finalement il y a 3,5 milliards d'années que la vie est apparue sous forme de molécules organiques et de chaines ADN. 

Aujourd'hui on considère que l'univers est en expansion grâce à une gravitation répulsive que Einstein a introduit d'abord dans ses équations pour donner une stabilité à l'univers, qu'il a ensuite supprimé et que, les physiciens ont ré-introduit dans les années 1980 cette fois sous la forme de matière noire pour expliquer cette expansion observée par l'éloignement des galaxies les unes par rapport aux autres.

Grâce à ces découvertes il semble que les pièces du puzzle cosmologique soient en place. Malgré cela, d'épais mystères concernant l'origine de l'univers, sa composition, et son avenir restent sans réponse. Par exemple pourquoi l'univers est composé de seulement 5% de matière ordinaire, de 25% de matière noire et de 70% d'énergie noire?

  • 3.Physique et métaphysique

La science est objective elle ne traite pas des perceptions mais d'objets.

Mais nombreux sont ceux qui ont essayé de rapprocher la physique et des idées métaphysiques. Quand la physique est incapable d'expliquer un phénomène on substitue au doute la notion de divin.

Les scientifiques sont divisés sur le sujet.

Dans le fameux tableau de Raphaël « L'école d'Athènes » on voit au premier plan Aristote et Platon. Aristote pointe le sol par le plat de sa main droite, ce qui symbolise sa croyance dans la connaissance par le biais de l'observation empirique et de l'expérience tout en tenant, dans l'autre main, une copie de son « Ehique à Nicomache ». Platon pointe le doigt vers le ciel symbolisant sa croyance dans les idées.

Les philosophes qui étaient en même temps des scientifiques comme Descartes, Pascal, Leipniz ont toujours fait référence à Dieu.

Dieu existe-t-il? Calculons. Cela pourrait être une citation de Leipniz. L'essentiel de sa pensée y est. Interrogation fondamentale sur la métaphysique et sur l'Être suprême, réponse sous forme d'algèbre, utilisant une sorte d'alphabet des pensées permettant de traiter les problèmes philosophiques comme on résout une équation.
Spinoza utilise lui la logique proposition/ démonstration: « La nature ou si vous voulez dieu »
 
On attribue à Einstein qui n'a jamais voulu admettre la réalité probabiliste de la mécanique quantique la phrase suivante: « Dieu ne joue pas aux dés » Le dieu invoquer ici par Einstein a quelque chose à faire avec les lois immuables de la nature et le panthéisme de Spinoza. Il disait aussi: « Je ne peux pas envisager les traditions confessionnels autrement que par le biais de l'histoire ou de la psychologie. Je n'ai pas d'autre relation possible avec elles. »

Dirac disait: « Par principe je n'ai rien à faire des mythes religieux...Je ne peux en effet croire que ce qui est vrai. La façon dont je dois agir, je peux la déterminer tout simplement à l'aide de la raison, en me basant sur le fait que je vis à l'intérieur d'une communauté... »

Heisenberg lui croyait à l'ordre central de l'univers et S. Hawking parle de l'immanence de l'univers. Il surgit de lui même par la force de gravité. Donc pas besoin de Dieu créateur.

Enfin je citerai un autre grand scientifique Jerome Monod: « Un scientifique qui croit en dieu est schizophrène. »
 
On peut conclure que l'hypothèse de dieu n'est pas nécessaire pour faire de la physique qu'on soit croyant ou pas. 

4.Et demain? Perspectives.

  • L'harmonie des cordes

Les deux piliers de la physique du XXIe siècle sont la physique quantique permettant d'expliquer les propriétés de la matière à l'échelle de l'infiniment petit, et la relativité générale ou la théorie de la gravitation d' A. Einstein qui permet d'expliquer les propriétés des corps à l'échelle de l'univers. Mais aucune théorie physique à l'heure actuelle ne permet avec un seul jeu d'équations d'expliquer le monde microscopique et le monde macroscopique.
La physique moderne cherche son troisième pilier qui pourra faire la synthèse entre ces deux théories.

Une théorie qui tente la synthèse de la physique quantique et de la relativité générale et basée sur la théorie des cordes commence à voir le jour. Cette théorie tente d'unifier toutes les théories dans un modèle unique. 

En 1968 un jeune physicien G. Veneziano (actuellement professeur au collège de France avec un cours tous les vendredis matin) en post-doctorat au CERN à Genève fait une découverte géniale. Il découvre qu'une fonction mathématique, découverte par Euler des siècles plus tôt, peut s'appliquer à l'explication des forces nucléaires. Mais il était incapable d'expliquer pourquoi elle fonctionnait si bien et quel rapport avec la réalité physique. Des années plus tard des chercheurs démontrent que la force nucléaire peut être modélisée à l'aide de petits brins d'élastiques appelés cordes et répondant à cette fameuse équation Euler.  C'est ainsi qu'est née la théorie des cordes qui vient confirmer la vision de Pythagore d'une harmonie suprême de l'univers. Toutes les particules seraient ni plus ni moins des notes de musiques fondamentales et harmoniques, de minuscules cordes vibrantes. Après tout la musique n'est-elle pas une concrétisation sensible des mathématiques?
 
Voici en résumé ce qu'est la théorie des cordes. Nous avons donc vu que l'univers, d'après la physique quantique, est constitué de matière, d'énergie et d'interactions entre les particules élémentaires grâce à divers forces. Ces interactions obéissent aux lois de la nature qui sont probabilistes et relativistes.

La théorie des cordes considère que ces particules dites élémentaires ne sont pas des particules ponctuelles mais l'équivalent de petites cordes dont les propriétés (spin, masse, charge, etc.) sont le résultat de la vibration de la corde.

Imaginons une corde qui vibre à une fréquence f1; cela nous donne un électron; une autre à une fréquence f2 donne un muon et ainsi de suite... De cette façon on a bâtit un modèle qui englobe toutes les particules et toutes les forces d'interaction y compris la gravitation qui possède sa propre particule vibrante: le graviton.

 La difficulté est que personne n'a à ce jour pu prouver cette théorie; les énergies nécessaires pour « voir » les cordes sont hors de portée de nos instruments les plus puissants comme le LHC (large hadron collider) du CERN. Mais les physiciens espèrent que par des mesures indirects ils y parviendront un jour. En tout cas le modèle  semble très cohérent et très prometteur d'où l'engouement des physiciens pour cette théorie.

La théorie prévoit entre autre que l'univers possède dix dimensions dont les quatre connus (x,y,z, t) plus six autres dites dimensions enroulées. Imaginez une fourmi sur une ficelle tendue. La fourmi ne voit qu'une dimension d'espace, les deux autres étant invisibles par elle. Cette théorie implique des formes particulières de l'univers beaucoup plus compliquées qui expliqueraient la finitude de l'univers tout en étant non borné. Il s'agit de formes hexadimensionnelles appelées espaces de Calabi-Yo, l'espace tridimensionnel que nous connaissons étant rempli de ces formes hexadimensionnelles enroulées sur elles mêmes.  Ainsi en nous déplaçant dans notre espace à trois dimensions nous pourrions traverser ces formes complexes et ainsi l'univers macroscopique serait brodé de ces étoffes microscopiques. En poussant encore plus l'anticipation on peut imaginer l'existence d'autres univers invisibles mais se logeant dans ces dimensions.

On voit bien là que si cette théorie se confirme nous assisterons à une nouvelle révolution de la compréhension de la nature aussi importante que celle de la physique quantique et de la relativité, la science fiction rejoint la réalité.  Voyage dans le temps, téléportation, univers parallèles, et si tout ça n'était pas que de l'anticipation?

  • Voyage dans le temps: Utopie ou réalité?

On sait que d'après la théorie d'Einstein la vitesse de la lumière est une vitesse limite que rien ne peut dépasser.
Or pour voyager dans le temps on doit pouvoir atteindre voir dépasser cette vitesse. Comment est- ce possible?
Au LHC on accélère des particules à 99,99% de la vitesse de la lumière.

Le temps s'écoule comme la rivière vers le futur. Comment rattraper le courant?

Pour propulser une fusée à des vitesses proches de celle de la lumière et donc faire en sorte que le temps  puisse « ralentir » dans la fusée par rapport au temps de la terre (voir le paradoxe des jumeaux) on peut utiliser un moteur à antimatière. Quand une particule et une antiparticule (charge contraire) se rencontrent les deux particules s'annihilent et une formidable énergie se dégage.

Un moteur à antimatière est basé sur l'interaction d'un proton et un antiproton qui dégage une énergie gamma photons propulsant la fusée à une vitesse de 99,99% de la lumière (on ralenti le temps). Sur terre plusieurs centaines d' années sont passées mais celui qui se trouve dans la fusée n'a passé que 10 ans.

Une autre méthode pour voyager dans le future consiste à se servir de la gravitation et des puits de la gravitation. L'espace et le temps sont comme un tissu qui se plisse et se déforme par les masses des objets comme si le soleil était une boule de bowling qui courbe l'espace-temps autour d 'elle. C'est pour cette raison que les planètes tournent autour du soleil en suivant cette courbure  qu'on appelle les géodésiques. Les rayons de lumière aussi sont courbés par la gravitation. L'espace et le temps ne font qu'un. Le temps se courbe aussi. La vitesse de la lumière donc dépend des obstacles. Une grosse masse peut ralentir le temps. On utilise les champs gravitationnels les plus puissants autour des trous noirs (qu'on appelle des singularités puisque les équations divergent vers l'infini). Ainsi si on tombe dans un trou noir on vieillit moins vite que si on reste dehors ( à condition qu'on en sorte). Au centre de notre galaxie il existe le trou noir le plus proche de nous qui fait 4,31 millions de fois la masse du soleil. Imaginez une tête d'épingle dans laquelle se concentre autant d'énergie que dans le soleil. C'est un trou noir dont le centre est un puits de gravitation très dense qui engloutit tout ce qui tombe dedans.

Pour aller dans le passé c'est encore plus difficile voire impossible même mathématiquement puisqu'il faut voyager plus vite que la lumière.  Mais les physiciens théoriciens ne sont jamais à court d'imagination. On utilise de nouveau la relativité générale.  Un cylindre rotatif qui tourne dans l'espace à une vitesse proche de celle de la lumière  tord l'espace-temps et celui-ci prend une forme de boucle temporaire fermée qui permet de revenir en arrière.

L'utilisation des « trous de vers » peut permettre de voyager dans le passé. Un trou de vers est un « tunnel » reliant un trou noir et un trou blanc. Un trou blanc, aussi appelé fontaine blanche, est le symétrique d’un trou noir. Au lieu d’aspirer toute matière, le trou blanc l’expulse et serait alimenté par un trou noir. En tombant dans un trou noir et en ressortant par un trou blanc donc en empruntant un trou de vers on revient vers le passé.

Mais ces voyages dans le temps posent un problème existentiel: le paradoxe du grand père.  Si en revenant vers le passé on tue notre grand père qu'advient-il de nous dans le présent?

Les physiciens ont une explication :l'existence d'univers parallèles. La théorie des cordes permet cette existence, rappelons nous des dimensions cachées.

Comme deux rails qui se divisent, les autres univers suivent d'autres cours du temps. D'après la physique quantique un électron peut se trouver en deux endroits en même temps. Deux électrons qui vivent dans deux univers parallèles; un multivers ce n'est pas de l'anticipation mais la réalité. On peut donc tuer son grand père tranquillement dans un univers parallèle et revenir dans son monde et continuer à exister.
 
Les théories sur le voyage dans le temps sont encore des théories d'anticipation même si elles se basent sur la théorie de la relativité et la mécanique quantique qui sont elles largement démontrées expérimentalement.
  • Conclusion
Toute théorie physique est toujours sujette à réfutation. En effet toute hypothèse peut être réfutée par des résultats d'expérimentation et en ce sens la physique est toujours une science qui se met perpétuellement en question.  Dans la pratique les théories suivantes sont des extensions des théories précédentes et ainsi le physicien bâtit sur les théories de ses prédécesseurs.  La physique restera toujours une science de la quête de la vérité et à mon avis jamais on ne pourra dire qu'on a tout compris des lois de l'univers. Un physicien doit rester humble et pragmatique.

Certains cherchent le sens de la vie dans la religion qui fournit des réponses toutes faites, d'autres dans l'art, d'autres disent que le sens de la vie est la vie elle-même. Et pour les physiciens, le sens de la vie est cette quête permanente de la vérité, ce chemin vers la connaissance.

Mais je ne peux pas finir cette planche sans citer celui qui m'a donné le goût de la physique, le génie pur mais aussi l'humaniste: A Einstein

« Ma condition humaine me fascine. Je sais mon existence limitée et j'ignore pourquoi je suis sur cette terre mais parfois je le pressens. ..La vertu républicaine correspond à mon idéal politique. Chaque vie incarne la dignité de la personne humaine, et aucun destin ne justifierait une quelconque exaltation de quiconque... J'éprouve l 'émotion la plus forte devant le mystère de la vie. Ce sentiment fonde le beau et le vrai, il suscite l'art et la science. L'effort constant vers la connaissance, par sa nature propre, nous pousse en même temps vers l'intelligence... »

D'un point de vue technologique l'homme est limité à la terre et à ses environs. Mais la projection de la pensée et l'effort collectif, ont permis d'explorer des pans entiers de l'univers que la raison jusqu'à maintenant avait du mal à concevoir. Mais ces découvertes qui bouleversent nos paradigmes quotidiens, sont encore loin d'expliquer la question fondamentale que posait Leibniz: Pourquoi l'univers existe?


*
*   *
  • Sources bibliographiques

Physique

-R Penrose A la découverte des lois de l Univers
-S Hawkin: Une brève histoire du temps
-S. Hawking- R. Penrose: La nature de l'espace-temps
-JP Luminet: L'Univers chiffonné
-B. Green: L'Univers élégant
-B. Green: La magie du cosmos
-A Einstein: Comment je vois le monde
-A Einstein: conceptions scientifiques
-J. Barrow: la grande Théorie
-H Reeves: Patience dans l'Azur
-E Schrödinger: Physique quantique et représentation du monde
-E Klein: Petit voyage dans le monde des quanta
-R Feyneman: La nature de la physique
-W Heisenberg: La partie et le tout. Le monde de la physique atomique
-Sheldon Glashow: Le charme de la physique
-M Bitbol: Mécanique quantique. Une introduction philosophique.
-L' anthologie du savoir: La physique: Les plus grands textes d' -Empédocle à Schrödinger.

Philosophie

-Platon Timée
-Aristote Physique
-Spinoza Traité de la réforme et de l'entendement
-Lepniz Discours de la métaphysique
-Descartes Discours de la méthode
-Pascal pensées
-Epicure: lettre à Menecée, lettre à Hérodote
-Lucrèce: de la nature