POURQUOI LES DEUX PHYSIQUES,

INFINIMENT GRAND ET INFINIMENT PETIT

NE S’ACCORDENT ELLES PAS ?

 

Et oui chers poissons rouges, pour continuer à nager aisément dans votre bocal, PRG estime nécessaire de vous présenter les deux grands pans de la physique.

Si la compréhension de l’infiniment grand s’est considérablement enrichie en « remontant » le temps et en allant très loin dans l’univers, il convient d’admettre désormais que le big bang se niche dans l’infiniment petit et qu’il peut être envisagé que c’est dans l’infiniment grand que les scientifiques trouveront les réponses aux questions posées par l’infiniment petit dont serait issu ce fameux big bang.

C’est la raison pour laquelle les scientifiques ont toujours cherché à unifier les « interactions » c’est la dire la gravité avec les forces fondamentales qui régissent l’infiniment petit : l’électromagnétisme, la force nucléaire forte et la force nucléaire faible. Parvenir à cette unification fournirait une théorie du tout. Celle-ci n’a pas été découverte à l’heure actuelle même si des avancées ont été réalisées en unissant électricité et magnétisme puis en fusionnant avec celles-ci l’interaction faible, le tout appelé désormais force électrofaible.

Vous avez bien compris que les physiciens ont cherché et cherchent encore une compréhension unifiée de la diversité de la nature.

Historiquement, Isaac NEWTON a unifié les mécaniques terrestres et célestes, James Clerk MAXWELL et Michael FARADAY ont pu unifier optique, électricité et magnétisme, et Albert EINSTEIN a regroupé géométrie de l’espace-temps et gravitation. Ce dernier a passé les 30 dernières années de sa vie à chercher une théorie qui aurait réuni la relativité générale avec l’électromagnétisme, sans succès.

De gros progrès ont été tout de même réalisés ; mais si désormais on comprend et l’on façonne l’union des interactions faibles, fortes, et électromagnétiques, il n’en va pas de même avec la gravitation, qui opère dans l’infiniment grand …et qui fait « bande à part ».

POURQUOI LES DEUX GEANTS S’IGNORENT ?

Le vingtième siècle a connu l’avènement de ces deux grandes théories que sont la relativité générale d’une part et la mécanique quantique d’autre part mais depuis chacun des deux pans se comporte comme si l’autre n’existait pas ! Si les deux théories sont belles et puissantes, elles n’en restent pas moins incohérentes l’une par rapport à l’autre.

Les Réconcilier, c’est un peu comme faire un gouvernement au moment où j’écris ces lignes ! la difficulté c’est qu’elles sont à priori inconciliables mais qu’à un moment donné elles doivent s’unir ; à cet égard, un grand physicien nous a affirmé que le monde « ne pouvait dépendre de deux théories incompatibles »

RENTRONS DANS LE VIF DU SUJET…

La relativité générale et la déformation de l’espace – temps par la gravité. PRG étant occasionnellement joueur de foot loisir, va évoquer l’objet principal d’un match, soit le ballon. Pour celui-ci, on considère des quantités bien définies : sa vitesse, sa position, sa vitesse de rotation ou son énergie.

On ne sait pas forcément mesurer très exactement ces quantités, mais on sait qu’elles existent et qu’elles ont des valeurs précises. A un instant donné, le ballon de foot est dans un état bien défini. Ça, c’est la mécanique dite « classique », c’est-à-dire celle des objets normaux dans le monde dans lequel nous vivons.

Si la relativité générale nous explique avec précision ce qu’est la force de gravité et nous permet de comprendre les véritables natures de l’espace et du temps, la mécanique quantique, décrivant le monde microscopique, a transformé notre connaissance de la matière.

LEURS CARACTERES SONT TRES DIFFERENTS

 

Tout d’abord il convient de rappeler qu’en physique classique, les résultats des mesures d’un système peuvent être prédits si l’on connait au préalable l’intégralité de ce système. A contrario, en mécanique quantique on peut connaître complètement un système, les résultats de certaines mesures de ce système seront impossibles à prévoir ! Surprenant I

Dans l’infiniment grand, (AU NIVEAU MACROSCOPIQUE) la théorie classique de la relativité générale nous indique que les quantités et les grandeurs ont des valeurs bien définies et c’est rassurant…

La gravité est une propriété de l’espace-temps ; ce dernier est un tout indissociable et les deux composantes sont déformées par les masses qui courbent l’espace et le temps ! Surprenant II

Dans l’infiniment petit, la mécanique quantique étudie les particules, les systèmes atomiques et subatomiques : les objets sont formés de molécules, elles-mêmes constituées d’atomes, eux-mêmes constitués de noyaux puis de Quarks et de gluons. Mais à ces derniers « niveaux » il se passe quelque chose d’unique, d’étrange. Les quantités physiques peuvent ne pas avoir de valeurs bien définies ! Surprenant III

Le monde à cette échelle est fait de probabilités ! je m’explique :

Une particule peut se trouver dans une superposition d’états, ce qui veut dire qu’elle se trouve dans deux positions en même temps ! Surprenant IV

Pour résumer, la physique quantique (AU NIVEAU NANOSCOPIQUE) est la science de l’infiniment petit, du comportement des atomes et des particules, constituants de la matière. Le big problème est qu’elle défie notre logique car les objets quantiques sont dans plusieurs états à la fois et à plusieurs endroits dans un monde fluctuant et probabiliste dont les principes à connaître sont les suivants :

La quantification : simplement comprendre que l’énergie d’un atome ne prend que certaines valeurs possibles appelées « quanta ».

La dualité « onde corpuscule » : en physique classique on distingue la matière et les ondes, c’est soit l’un soit l’autre. A contrario, les particules dans l’infiniment petit sont à la fois matière et ondes, comme les photons de lumière.

La superposition des états : Autre exemple, Puisqu’un électron est à la fois onde et particule, il peut être présent à différents endroits et à différentes vitesses, et est donc « suspendu » dans plusieurs réalités.

L’observation : si l’on observe une particule, elle sera en un seul point ou à une unique vitesse. L’observation modifie son état, elle se comporte comme une onde mais se fige dès qu’on la mesure. La mesure que l’on fait est imprévisible.

L’indétermination : impossible de mesurer deux grandeurs de la particule en même temps ; si l’on mesure sa vitesse on ne peut avoir sa position et inversement. Il n’y a donc que des probabilités de résultat.

L’intrication : La superposition de deux particules fait en sorte qu’elles deviennent liées quelle que soit la distance qui les sépare, sans qu’aucune information n’ait eu le temps de passer entre elles.

Crédit photo : CERN Genève

Crédit photo : CERN – Genève – collisionneur de HADRONS

MAIS

Lorsqu’un système quantique se dégrade suite aux interactions avec son environnement, le système obéit alors aux lois de la physique classique, celles que nous connaissons au quotidien. On appelle cela la  DECOHERENCE.

CONCLUSION

La particule qui se trouve dans deux positions différentes en même temps déforme l’espace-temps qui l’entoure dans deux positions différentes en même temps, ce qui donne une superposition de géométries de l’espace-temps. C’est une contradiction fondamentale de la théorie de la relativité ou l’espace-temps est parfaitement défini et n’est pas dans des superpositions d’états.

A la base donc de cette situation il y a une incertitude (principe d’incertitude) qui nous interdit d’unir la gravité et la mécanique quantique : Plus on va explorer un système petit plus on aura besoin d’énergie et à ces niveaux d’énergies très élevés la gravité est très différente de ce que nous connaissons et nous donne des superpositions de géométries.

Dans les années 1950, il a été combiné les forces de la nature suivantes : l’électromagnétisme, nucléaire forte et nucléaire faible avec la théorie de la relativité restreinte, sauf la gravité car celle-ci donne alors des résultats infinis comme expliqué ci-dessus.

La théorie de la relativité d’EINSTEIN nous dit : « vous avez cette rigidité : matière, courbure, espace-temps »

Mais la mécanique quantique nous répond : « la matière peut être dans une superposition d’état ! »

UNE SOLUTION ?

Et bien « quantifions la gravité » me direz – vous qui veut dire :

              La rendre compatible avec la mécanique quantique…

L’espace et le temps comme expliqué plus haut sont des quantités dynamiques c’est-à-dire qu’ils se dilatent et ou se contractent ! n’étant pas un cadre stable, ils sont modifiés lors d’une collision de particules par exemple. Pour reprendre une analogie c’est construire un bâtiment sur un sable mouvant…

EINSTEIN a essayé d’élaborer une théorie d’unification mais l’a fait avec une approche classique et il n’a pas réussi.

Certains scientifiques renommés travaillent depuis à l’élaboration de théories mais pour l’instant elles n’ont pas abouti. Les plus connues :

La théorie de la gravité quantique à boucles : l’espace serait une structure fine et granulaire (grains d’espace) constituée d’un réseau de boucles quantifiées de champs gravitationnels.

La théorie des cordes qui postule que les particules ne sont pas des phénomènes ponctuels mais de minuscules cordes qui vibrent et s’étirent créant ainsi les différentes catégories de particules aux propriétés différentes.

MOTIVATION

Cette incohérence de la nature n’est pas une malédiction vous avez bien compris qu’elle est source de motivation ; cependant cela reste LE problème central de la physique théorique.

LE MOT DE LA FIN

Comprendre le fonctionnement de l’univers, ce qui se passe à l’intérieur des trous noirs, ce qui s’est passé au début de l’univers et lors du big bang nous interpellent !

Plus que jamais nous avons besoin d’une théorie de GRAVITATION QUANTIQUE !

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CONSCIENCE ET PHYSIQUE QUANTIQUE

Une théorie quelque peu spéculative à ce jour établit un lien entre l’émergence de la conscience et la physique quantique.

La conscience faisant partie de l’univers, les lois qui régissent le monde quantique pourrait révéler sa nature.

Un physicien célèbre nous dit : « Il se pourrait que le monde de l’atome et de l’électron soit imprégné d’une dimension psychique capable d’interférer avec la matière tangible »

Il existerait donc une conscience quantique et les phénomènes comme l’intrication et la superposition d’états pourraient expliquer l’émergence de la conscience car la physique classique ne pourrait le faire. Cette émergence surviendrait suite à l’effondrement de la superposition d’états dans le cerveau. Un célèbre physicien Roger PENROSE a défini un modèle dénommé « réduction objective orchestrée » où cet effondrement précité permettrait une rupture dans la structure de l’espace-temps et l’apparition d’états de conscience.

 

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