La physique et ses univers énigmatiques

Cent ans après Albert Einstein

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Cent ans après Albert Einstein

et sa théorie de la relativité générale, on pourrait penser que les physiciens sont privés de tout mystère. Il n’en est rien. Au contraire. Le scientifique allemand a ouvert des pans entiers d’investigation sur lesquels physiciens se cassent toujours la tête. De l’immensité de l’univers à l’infiniment petit, les énigmes sont nombreuses. Passage en revue

La physique et ses univers énigmatiques

Cent ans après Albert Einstein

et sa théorie de la relativité générale, on pourrait penser que les physiciens sont privés de tout mystère. Il n’en est rien. Au contraire. Le scientifique allemand a ouvert des pans entiers d’investigation sur lesquels physiciens se cassent toujours la tête. De l’immensité de l’univers à l’infiniment petit, les énigmes sont nombreuses. Passage en revue de quelques-unes de ces curiosités.

Voilà un siècle tout rond que le génie moustachu a secoué les branches de la physique. En 1905, Albert Einstein bousculait son monde en présentant sa théorie de la relativité, achevée dix ans plus tard. La physique faisait alors un colossal bond en avant. Et du même coup s’ouvraient nombre de nouvelles pistes d’exploration.

À commencer par la mécanique quantique, à laquelle obéissent atomes, électrons, particules et autres peuplades de l’infiniment petit. Cent ans après les géniales intuitions d’Einstein, que reste-t-il à découvrir aux physiciens ? Des univers entiers ! Du comportement de l’eau, ce liquide hors norme, aux hasardeuses particules élémentaires, en passant par la mystérieuse énergie noire et l’introuvable antimatière. Au bout de ces quelques énigmes, les scientifiques espèrent bien mettre la main sur leur graal : LA théorie. Celle qui régit l’univers, de l’infiniment grand à l’infiniment petit. Tour d’horizon de cinq énigmes de la physique moderne.

Et pourtant, elle coule...

L’eau n’a l’air de rien, et pourtant ce liquide ne ressemble à aucun autre. Les autres, d’ailleurs, sont souvent des mélanges de divers composés et d’eau. L’eau, incolore et inodore, cumule les anomalies : elle gèle et se gazéifie à des températures élevées par rapport à ses congénères de la « matière molle », fait preuve d’une capacité hors norme à dissoudre tous les sels, ses atomes n’occupent même pas la moitié de son volume, etc. Les conséquences ne sont pas minces.

Sans ces particularités, l’eau des océans ne jouerait pas son rôle de régulateur thermique du climat. De même, « si la glace était plus dense que l’eau liquide, toute la glace formée dans les régions arctiques coulerait au fond des océans au lieu de former une banquise qui isole les océans des températures extérieures », expliquait, lors d’une séance de l’université de tous les savoirs, Bernard Cabane, de l’École supérieure de physique et chimie industrielles.

Problème :

quand les physiciens essaient de les modéliser avec leurs puissants ordinateurs, les molécules d’eau leur filent entre les doigts. Dommage, car les gouttes d’or bleu pourraient être bien utiles : « Comportement d’un cosmétique sur la peau, imprimantes à jet d’encre, imprégnation d’un béton par la pluie, établissement de microsoudures en électronique », les applications sont nombreuses que recense (1) David Quéré, du laboratoire de physique de la matière condensée au Collège de France.

Le drôle de chat de Schrödinger

« Personne ne comprend vraiment la physique quantique. »

En prononçant cette phrase, Richard Feymann, prix Nobel de physique en 1965, voyait juste. Bien qu’elle ait envahi les laboratoires, depuis sa théorisation il y a quatre-vingts ans, la mécanique quantique peine à se livrer. Et pour cause : cette physique, qui régit le monde microscopique, refuse de se marier avec celle du monde macroscopique. À notre échelle, tout est si balisé : une balle tombe à cause de la pesanteur, les planètes suivent leurs orbites du fait de la gravitation... Mais, passé dans le monde du petit, tout s’écroule et semble n’obéir... qu’au hasard. La question est épineuse. Pourquoi les atomes, les électrons et autres populations de l’infiniment petit ne bougent-ils pas comme les balles et les planètes ?

Posée autrement, la question devient : pourquoi notre monde n’est-il pas quantique ?

« Tout le problème est là », reconnaît Philippe Grangier, directeur de recherche au laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’optique. Il n’est plus question, à échelle microscopique, de parler de la position d’une particule, mais de la probabilité pour qu’elle se trouve en tel ou tel endroit. Heisenberg, l’un des pères de la mécanique quantique, a même théorisé l’impossibilité de connaître précisément la position et la vitesse d’une particule. Autrement dit, à l’échelle microscopique, une boussole pointerait son aiguille à la fois vers le Nord et vers le Sud. Une particule peut en effet être dans deux états, dans deux endroits à la fois !

En 1935, réfractaire à cette idée, Erwin Schrödinger a une drôle d’idée : il s’imagine enfermer son chat dans une boîte. Celle-ci est piégée : elle contient un flacon rempli de gaz mortel, un atome d’uranium et un détecteur de radioactivité branché à un marteau. L’étrange attirail a un but : montrer, en sacrifiant le pauvre matou, les paradoxes de la mécanique quantique. Statistiquement, l’atome d’uranium a en effet 50 % de chance de se désintégrer, donc d’être détecté, donc d’actionner le marteau qui ira briser le flacon...

Le chat a donc lui aussi 50 % de chance de mourir et autant de rester en vie. Prudente, la physique quantique prédira que le félin est à la fois mort et vivant ! L’état du chat dépend en effet de l’état de l’atome d’uranium, soumis au hasard de la mécanique quantique. Un chat mort-vivant ? Une « superposition d’états » pour le moins difficile à s’imaginer...

Un concept met un mot sur la frontière floue entre ces deux mondes : la décohérence. « Quand la taille de l’objet étudié croît, explique Philippe Grangier, ses interactions avec l’environnement ont des effets de plus en plus déterminants et le font basculer d’un côté ou de l’autre », dans le monde quantique ou dans le monde classique.

Seule une particule reste insensible à son environnement. En groupe, il en est autrement. Idéalement, une boîte hermétique aux contingences physiques de notre monde permettrait d’étudier le comportement étrange de la mécanique quantique à grande échelle. Sans environnement, le chat de Schrödinger pourrait donc, sans difficulté, être à la fois mort et vivant...

Un ordinateur quantique, capable d’exploiter ces comportements, est à l’étude. Pour quand ? « Apparemment, la réalisation d’un système de grande taille conservant un comportement quantique n’est pas interdite par les lois de la physique, explique Philippe Grangier. Il se pourrait donc que le problème soit surtout technologique... Mais ceci reste à confirmer expérimentalement. » Le chat a encore quelques beaux jours devant lui.

Insaisissables particules élémentaires

L’univers se découpe comme un puzzle. À ceci près que, plus les physiciens fouillent, plus les pièces à agencer sont petites. Et surtout complexes. Comble de l’histoire, la pièce maîtresse manque toujours à l’appel.

En 1911, Ernest Rutherford dessine les contours de l’atome, avec ses électrons gravitant autour du noyau. Puis le neutron et le proton se dévoilent aux chercheurs, s’assemblant pour constituer ce noyau atomique.

En 1930, Wolgang Pauli met le doigt sur le neutrino, une particule légère, neutre et interagissant très peu avec ses congénères. La liste ne cesse de s’allonger. En 1964, George Zweig et Murray Gell-Mann puisent dans le roman Finnegans Wake, de James Joyce, pour nommer « quark » leur invention. Celui-ci est censé assurer la cohésion du noyau des atomes. Dick Taylor, Henri Kendall et Jerry Friedman l’attraperont en 1968. Aujourd’hui, les scientifiques s’accordent sur douze particules élémentaires formant trois grandes familles.

La première (les quarks up et down, l’électron et le neutrino) compose la matière ordinaire, tandis que les deux autres servent de particules d’échanges. Mais la fratrie des particules ne se limite pas à ces trois familles. « Il y en a toute une zoologie, des centaines », précise Étienne Augé, du laboratoire de l’accélérateur linéaire d’Orsay. Instables, ces nuées de particules ne se manifestent que très furtivement et ont un rôle secondaire dans la structure de la matière.

Cette faune a son importance. De cette tambouille sont issus les planètes et les hommes. Mais « parler de ces particules n’a de sens qu’en évoquant la façon dont elles interagissent et forment des ensembles complexes », explique Étienne Augé.

Classiquement, les interactions sont classées en quatre types. Or, aucune théorie ne parvient à les unifier. Rien à faire. Quand deux d’entre elles semblent se satisfaire d’une théorie, une troisième la boude. À moins de piéger le chaînon manquant : le boson de Higgs. Du nom du physicien écossais qui l’a « inventé », cette particule joue un rôle clé dans le « modèle standard » qui régit la physique moderne. Les bosons, ensemble, créent un champ salutaire aux particules : il leur confère une masse. Sans le boson, tout se dégonfle : le monde tel que nous le connaissons ne pourrait pas exister. Hallucinante énigme...

Avides de connaître le fin mot de cette histoire, les physiciens courent après le boson depuis trente ans... Sans que personne ne lui ait jamais mis la main dessus, même pas au Centre européen de recherche nucléaire (CERN), dont le futur accélérateur devrait apporter une réponse définitive en 2007.

Comme pour compliquer la tâche, il est impossible de prédire la masse du boson de Higgs lui-même. Une autre théorie entre alors en scène : la supersymétrie. À chaque particule correspondrait sa soeur jumelle. « La supersymétrie a la qualité de faire sauter le défaut du modèle standard », précise Étienne Augé. Et d’ajouter, prudent : « Cette idée esthétique ouvre aussi des débuts de pistes pour incorporer la théorie de la relativité générale », inconciliable avec le monde des particules. L’insaisissable boson se laissera-t-il enfin saisir ?

Énergie noire, qui es-tu ?

« Il y a dix ans, on se demandait si l’expansion de l’univers continuerait toujours ou si nous allions vers une phase de contraction de l’univers », raconte Pierre Astier, du laboratoire de physique nucléaire et de hautes énergies (CNRS, université Paris-VI et VII). La question est de poids. Quel est avenir de l’univers ? Celui d’un cake gonflant doucement sous l’effet de la levure ou celui d’un gâteau s’effondrant sur lui-même ? Ensemble, les théories du big bang et de la relativité générale d’Albert Einstein décrivent un univers en dilatation régulière, sous l’effet de l’explosion originelle. Or, l’univers semble plus vigoureux que prévu. Non seulement il enfle, mais il le fait en accélérant. Ce qui n’a l’air de rien, mais suppose l’existence d’une insondable « énergie noire ». Étrange, celle-ci composerait 70 % de l’univers... sans que l’on ne sache rien d’elle !

En 1998, deux équipes d’astrophysiciens bousculent la tranquillité cosmologique. Chacun de son côté, les scientifiques avaient l’œil sur des supernovae, dont certaines finissent par exploser, avec toujours la même luminosité. « On les utilise comme des bornes kilométriques dans l’univers », explique Pierre Astier. Leur éloignement progressif renseigne sur l’expansion de l’univers. Mais cette fois-ci, surprise : ces étoiles-là présentent une pâle figure.

« On trouvait une densité négative de la matière autour des supernovae », poursuit le physicien. Bizarre. « On s’est rendu compte qu’il fallait ajouter une fraction de truc qui ne se dilue pas dans l’univers. » Le « truc », c’est l’énergie noire.

La trouvaille a exalté les scientifiques, même si la composition de l’univers semble se cacher à mesure qu’on l’explore. Tandis que l’énergie noire en englobe 70 %, la matière noire, elle aussi « inventée » pour expliquer une partie de l’invisible, représente 25 % de l’univers. Ne restent que 5 % pour la matière ordinaire dont sont faits les hommes et les planètes. De quoi occuper plusieurs générations de chercheurs. D’autant que « sur la matière noire, on ne sait rien, mais on a des idées. Sur l’énergie noire, on a à peine des idées », résume Pierre Astier.

Les astrophysiciens mettent donc le paquet pour coller un nom à cette énergie et à cette matière. En 2007, la mission Planck de l’agence spatiale européenne devrait plonger dans l’histoire de l’univers et tenter d’y lire ses secrets. Sur Terre, l’énorme télescope Canada-France-Hawaï a le nez braqué sur les étoiles à la recherche du moindre indice de présence d’énergie noire, flanquée de la caméra panoramique Médiacam, dans laquelle « on peut caser quatre fois la Lune ».

Le télescope Hubble participe aussi à la course aux supernovae. En mai dernier, le satellite XMM-Newton remettait en cause, du bout de la lorgnette, l’existence de l’énergie noire. Les uns et les autres n’ont qu’un but, résume Pierre Astier : « À partir de l’histoire de l’expansion, on est capable d’extrapoler et de savoir ce qui va se passer. » Suspense...

Où se cache l’antimatière ?

On sait en créer et on en a même observé sur Terre et dans l’immensité spatiale. Pourtant, son absence intrigue. Présente en quantité égale à la matière lors du big bang, l’antimatière, depuis, se fait étrangement discrète.

Son histoire commence en 1925, lorsque Paul Dirac prédit son existence. L’antimatière est observée l’année suivante. Aujourd’hui, « son existence ne fait plus de doute », assure Aurélien Barrau, du laboratoire de physique subatomique et de cosmologie de Grenoble. « Dans la pièce où je me trouve, il y en a en faible quantité. Même notre corps en produit. »

D’abord conceptualisée, l’antimatière vaut son pesant de quantas. « La naissance de l’antimatière est à la conjonction des deux théories phares du XXe siècle : la théorie de la relativité et la mécanique quantique », explique le chercheur. L’antimatière est indispensable pour joindre les deux bouts de la description du monde à grande et petite échelle. Paul Dirac, en mathématicien pur et dur, débouche sur l’existence de particules identiques à celles que nous connaissons, mais avec des énergies opposées. À chaque objet de matière correspond son image : un électron a son antiélectron, un neutron son antineutron, etc.

Mais les deux n’existent pas en quantité égale. Heureusement, car les deux parties du couple, en se rencontrant, s’annihilent, ou presque. Matière et antimatière se fondent et libèrent de l’énergie. Ni les étoiles, ni les planètes, ni les hommes ne pourraient donc exister. Un gouffre sépare la théorie et la réalité. Alors que la formule de Paul Dirac est si harmonieuse, l’univers est boiteux.

La matière, omniprésente, semble avoir pris le dessus sur son image. Cette dissymétrie, formulée par le Soviétique Andreï Sakharov, aurait bénéficié aux particules lourdes, d’abord à l’échelle microscopique, puis au niveau macroscopique en envahissant l’espace. Mais, puisqu’elle existe, où se trouve alors l’antimatière ?

« C’est l’une des grandes questions de la physique contemporaine », répond Auréline Barrau. « Le monde de l’infiniment petit est presque symétrique. Et pourtant, dans le macrocosme, on ne voit pratiquement que de la matière », s’enthousiasme le chercheur. Comment, à partir d’un microcosme homogène, un macrocosme asymétrique a-t-il pu se former ? « 

On pourrait imaginer, dans l’univers, des îlots d’antimatière avec des antiétoiles, des antimatières, des antijournalistes... », s’amuse le physicien.

Récemment, des chercheurs du CEA bien réels ont affirmé que l’univers produit en permanence plus de 16 milliards de tonnes de particules d’antimatière par seconde ! Un véritable défi. Trouver, ou non, ces mondes parallèles est l’un des enjeux d’une expérience menée par l’équipe de Grenoble et du laboratoire d’Annecy de physique des particules, qui devrait être branchée sur la station spatiale internationale d’ici 2008.

Le but : mettre la main sur au moins un noyau d’antimatière et prouver ainsi qu’une étoile l’a synthétisé. Donc que des antimondes existent... Qu’en penses-tu, antilecteur ?

(1) Qu’est-ce qu’une goutte d’eau ?,

collection « Les petites pommes du savoir », éditions Le Pommier,
64 pages, 4,50 euros.

Vincent Defait pour http://www.humanite.fr

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