L'Univers élégant
Brian Greene, 1999
Les deux théories les plus précises de la physique se contredisent. Brian Greene montre où exactement elles se heurtent et comment la théorie des cordes tente de les réconcilier : des particules qui sont les notes de minuscules cordes, des dimensions cachées, un espace qui peut se déchirer. C'est beau, audacieux, et toujours pas confirmé par l'expérience.
Pour qui
Pour celles et ceux qui se demandent de quoi le monde est fait tout au fond, et qui veulent comprendre la théorie des cordes sans formules, en distinguant une belle idée d'un fait vérifié.
Dans leur forme actuelle, la relativité générale et la mécanique quantique ne peuvent pas être vraies toutes les deux à la fois.
De quoi parle ce livre
La physique du XXe siècle a produit deux grandes théories. La théorie de la relativité générale d'Einstein décrit la gravitation, les étoiles et l'expansion de l'Univers. La mécanique quantique décrit les atomes et les particules. Toutes deux ont été vérifiées avec une précision énorme. Et pourtant, comme le montre Brian Greene, elles ne peuvent pas être vraies toutes les deux à la fois sous leur forme actuelle : là où il faut les deux à la fois, les calculs cessent de donner des réponses qui ont un sens.
Greene, physicien à l'université Columbia, travaille lui-même sur la théorie des cordes, la principale candidate à la réconciliation de ces deux théories. Il guide le lecteur presque sans formules, par des images : une corde de violon, un tuyau d'arrosage, une fourmi.
Un point important dès la première page : la théorie des cordes est une hypothèse. Quand le livre est paru en 1999, aucune expérience ne l'avait confirmée, et elle ne l'est toujours pas aujourd'hui. Les analogies de Greene aident à comprendre ce que propose la théorie, mais elles ne prouvent rien. C'est pourquoi chaque idée se termine ici par une mention de son degré de confirmation.
Idée 1. Deux vérités qui ne s'entendent pas
Pour Einstein, l'espace est un tissu lisse que les masses courbent en douceur. Pour la mécanique quantique, le monde tremble aux petites distances : plus la zone que tu observes est petite, plus les fluctuations désordonnées d'énergie y sont fortes. C'est ce qu'exige le principe d'incertitude.
Greene propose d'observer l'espace de plus en plus près, comme à la loupe. D'abord, tout est lisse. Puis apparaissent des ondulations. Et à des distances de l'ordre de 10⁻³³ centimètre (ce qu'on appelle la longueur de Planck), les ondulations deviennent un bouillonnement. Le physicien John Wheeler a nommé ce tableau « mousse quantique ». D'après ce tableau, le tissu lisse sur lequel repose la théorie d'Einstein pourrait tout simplement ne pas exister à cette échelle.
Dans la vie courante, le conflit passe inaperçu : les étoiles sont grandes et lourdes, les particules petites et légères. Mais au centre d'un trou noir et au tout début de l'Univers, une masse énorme est comprimée dans un volume minuscule. Il faut alors les deux théories à la fois, et ensemble elles donnent des infinis absurdes.
Les deux théories sont confirmées par les observations, chacune dans son domaine, et leur incompatibilité est un problème reconnu par tous. La « mousse » reste une image : personne n'a jamais observé directement de telles échelles.
Une table paraît lisse, mais au microscope elle est creusée de sillons. Si l'on continue à rapprocher le regard, comme le propose Greene, il n'y a plus rien de plat nulle part.
Ce conflit ne signifie pas que l'une des théories est fausse. Toutes deux pourraient plutôt être des approximations de quelque chose de plus profond.
L'auteur
Brian Greene (né en 1963) est un physicien théoricien américain, professeur à l'université Columbia et spécialiste de la théorie des cordes. C'est l'un des vulgarisateurs de la physique les plus connus. « L'Univers élégant » est son premier livre de vulgarisation.
Tous les livres de l'auteur: Brian Greene
Notions du livre
- Entropie
- mécanique quantique
- Morrison
- Wheeler
- photon
- Théorie des cordes
- Théorie de la relativité générale: La théorie de la gravitation qu'Einstein a formulée en 1915 : les masses courbent l'espace et le temps, et cette courbure fait bouger les corps comme s'ils étaient attirés.
- Einstein: Albert Einstein, physicien du XXe siècle, auteur de la théorie de la relativité. Sa théorie d'un espace lisse est l'une des deux théories que la théorie des cordes tente de réconcilier.
- Principe d'incertitude: Une loi de la mécanique quantique, formulée par Werner Heisenberg en 1927 : on ne peut pas connaître en même temps et avec précision l'endroit où se trouve une particule et sa vitesse. Il en découle qu'à petite échelle, l'énergie « tremble » sans cesse.
- Longueur de Planck: Environ 10⁻³³ centimètre. L'échelle à laquelle, selon les connaissances actuelles, les effets quantiques de la gravitation deviennent importants.
- Mousse quantique: Une image de John Wheeler : aux plus petites échelles, à cause des fluctuations quantiques, l'espace pourrait être non pas lisse mais bouillonnant. C'est une image pour comprendre, pas une observation.
- Veneziano: Gabriele Veneziano, physicien théoricien italien. Sa formule de 1968 sur les collisions de particules a été le premier pas vers la théorie des cordes.
- Interaction nucléaire forte: La plus puissante des quatre forces fondamentales de la nature. Elle retient les quarks à l'intérieur des protons et des neutrons, et ceux-ci dans le noyau de l'atome.
- Euler: Leonhard Euler, mathématicien suisse du XVIIIe siècle, l'un des plus prolifiques de l'histoire. La formule de Veneziano reposait sur une fonction qu'Euler avait étudiée deux siècles plus tôt.
- Scherk: Joël Scherk, physicien théoricien français. En 1974, avec John Schwarz, il a proposé de voir dans les cordes une théorie qui inclut la gravitation.
- Schwarz: John Schwarz, physicien théoricien américain, l'un des fondateurs de la théorie des cordes. En 1974, avec Joël Scherk, il a repéré dans les cordes la particule de la gravitation.
- Graviton: Une particule hypothétique qui transmettrait la gravitation, comme le photon transmet la lumière. On ne l'a pas encore détectée.
- Quark: L'une des plus petites particules qui composent les protons et les neutrons du noyau de l'atome. On ne le rencontre jamais isolé dans la nature.
- Kaluza: Theodor Kaluza, mathématicien et physicien allemand. En 1919, il a proposé d'ajouter une dimension à l'espace pour unifier la gravitation et l'électromagnétisme.
- Klein: Oskar Klein, physicien suédois. En 1926, il a expliqué pourquoi la dimension supplémentaire de Kaluza passe inaperçue : elle est enroulée en un minuscule anneau.
- Dimensions enroulées: Les dimensions supplémentaires de l'espace qu'exige la théorie des cordes. Selon l'hypothèse, elles sont enroulées si étroitement qu'on ne peut pas les remarquer. Aucun signe de leur existence n'a été trouvé pour l'instant.
- Calabi-Yau: Des figures complexes à six dimensions, qui portent les noms des mathématiciens Eugenio Calabi et Shing-Tung Yau. Dans la théorie des cordes, ce sont les candidates à la forme des dimensions cachées.
- Aspinwall: Paul Aspinwall, physicien théoricien, coauteur avec Greene d'un travail de 1993 montrant que, dans la théorie des cordes, l'espace peut se déchirer sans catastrophe.
- Witten: Edward Witten, physicien théoricien américain, l'un des grands spécialistes de la théorie des cordes. Seul physicien à avoir reçu la médaille Fields, la plus haute distinction des mathématiciens. En 1995, il a proposé la théorie M.
- Théorie M: Une théorie plus profonde, proposée par Edward Witten en 1995, dont les cinq versions de la théorie des cordes pourraient être des cas particuliers. Elle n'est pas entièrement formulée.
- Strominger: Andrew Strominger, physicien théoricien américain. En 1996, avec Cumrun Vafa, il a calculé grâce à la théorie des cordes l'entropie de certains trous noirs.
- Vafa: Cumrun Vafa, physicien théoricien américain d'origine iranienne, coauteur avec Andrew Strominger du calcul de 1996 sur l'entropie des trous noirs.
- Bekenstein: Jacob Bekenstein, physicien israélien. En 1972, il a supposé qu'un trou noir possède une entropie qui dépend de l'aire de sa surface.
- Hawking: Stephen Hawking, physicien théoricien britannique. En 1974, il a montré que les trous noirs émettent un faible rayonnement, et il a précisé la formule de l'entropie de Bekenstein.
- Superpartenaires: Des doubles lourds et hypothétiques des particules connues, prédits par la supersymétrie. Le Grand collisionneur de hadrons ne les a pas encore détectés.
- Supersymétrie: L'hypothèse selon laquelle chaque particule connue a un partenaire plus lourd. Elle fait partie de la théorie des supercordes, mais n'est pas confirmée par l'expérience.
- Grand collisionneur de hadrons: L'accélérateur de particules le plus puissant du monde : un anneau souterrain d'environ 27 km sous Genève, au CERN. Il a démarré en 2008, et c'est là qu'on a découvert le boson de Higgs en 2012.
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