"Quantum vortex" de Vin60 sur Flickr

Konstantinos Lagoudakis, du laboratoire d’Opto-électronique Quantique de l’EPFL vient de parvenir à créer des “demi-vortex”, un phénomène quantique compliqué prédit par la théorie en 1985. Je ne me risque pas à une explication, celle-ci me parait très bien pour ceux qui ne sont pas capables de piger l’abstract de l’article paru dans Science. Vous pouvez aussi écouter la séquence consacrée à cette découverte par l’émission Impatience de la RSR.

Ce qui m’intéresse dans ce type de phénomènes physiques  très fondamentaux, c’est qu’ils ne peuvent pas exister dans la nature, nulle part dans l’Univers. Ils n’ont même jamais pu exister car l’Univers a toujours été trop chaud. Au CERN, on reproduit des conditions qui existaient dans les premières fractions de pouillèmes de seconde après le Big Bang, et depuis l’Univers refroidit, et la physique étudie tout ce qui s’y produit. Mais comme me l’avait dit un chercheur en cryo, comme l’endroit le plus froid de l’Univers est baigné par le rayonnement à 3°K, les phénomènes qui se produisent proche du zéro absolu dans les labos sont des premières dans l’histoire de l’Univers. A moins qu’une autre civilisation soit plus avancée, quelque part.

Excitant, non ?

Références:

1. K. G. Lagoudakis et al. “Observation of Half-Quantum Vortices in an Exciton-Polariton Condensate“, Science, 13 November 2009, Vol. 326. no. 5955, pp. 974 – 976
2. “A vortex, vortex et demi“, News EPFL, 12 novembre
3. Quantum vortex sur Wikipedia (anglais)

En 1996, une expérience analogue à celle du chat de Schrödinger, célébrité de la mécanique quantique, avait montré la solidité de la théorie de la décohérence. L’expérience avait été conduite avec des atomes mais aujourd’hui des chercheurs pensent qu’il est possible de se rapprocher de cette expérience de pensée de Schrödinger avec des virus et peut-être même des tardigrades !

La mécanique quantique prédit des phénomènes profondément choquants pour notre intuition habituée au comportement des objets macroscopiques dans l’espace et dans le temps. Si on la prend vraiment au sérieux, on est conduit à la conclusion que la réalité fondamentale fonctionne selon un schéma et un substratum au-delà de l’espace et du temps. Nous n’avons qu’un aperçu très indirect de ce réel voilé, selon l’expression de Bernard d’Espagnat.

L’un des aspects les plus troublants de la mécanique quantique concerne le passage d’un monde fondamentalement quantique à un monde qui apparaît comme classique. A l’échelle des atomes ou des noyaux, les particules peuvent se trouver simultanément dans plusieurs états à la fois, mais ce n’est visiblement pas le cas pour des objets macroscopiques, comme un chat ou la Lune.

Un électron peut ainsi se retrouver dans différents endroits à la fois et traverser des barrières qui semblent pourtant impénétrables d’un point de vue classique. Si un ballon de football se comportait comme un électron, il serait parfois simultanément dans et hors des buts et le tir d’un joueur pourrait par moments lui faire traverser un mur de béton sans que le mur lui-même ne présente le moindre trou et sans que le ballon ne soit affecté par un choc.

Ce genre de situation, décrit par des lois de probabilités, ne se rencontre jamais dans la vie de tous les jours. Or, tous les objets de l’Univers sont a priori décrits par la mythique équation que Schrödinger avait proposée sous une forme restreinte en 1926. Il y avait donc une énigme. Comment diable se fait le passage du quantique au classique ?

Pour Schrödinger et d’autres physiciens comme Albert Einstein, la théorie quantique devait être incomplète et n’être qu’un expédient provisoire pour décrire la dualité onde-corpuscule de la matière et de la lumière, bien que de façon extraordinairement précise.

Pour le prouver, Schrödinger avait proposé en 1935 une expérience de pensée montrant, selon lui, que la folie du monde quantique ne pouvait pas être maintenue en quarantaine dans le monde atomique.

En effet, si l’on prenait au sérieux la théorie, et l’interprétation qu’en faisaient Niel Bohr, Werner Heisenberg et Paul Dirac, un chat peut être à la fois mort et vivant. Cette prédiction en contradiction violente avec l’expérience de la vie de tous les jours consistait selon lui en une reductio ad absurdum de la position des tenants de l’école de Copenhague.

Ces derniers ne furent bien sûr pas d’accord et le débat continua pendant des décennies.

L’expérience du chat de Schrödinger. Soit un chat enfermé dans une boîte en compagnie d’un atome radioactif, donc susceptible de se désintégrer. Selon la mécanique quantique, il faut traiter l’objet macroscopique, c’est-à-dire le chat, comme constituant un seul objet quantique avec l’atome, à cause d’un phénomène appelé l’intrication quantique. Or, d’après les lois de la mécanique quantique, l’atome doit se retrouver dans une superposition d’états. Il peut ainsi, simultanément, se désintégrer ou pas. Seul un observateur cherchant à savoir si la désintégration a bien eu lieu provoquerait le passage dans l’un ou l’autre de ces deux états. Ajoutons un compteur Geiger dans la boîte, capable de déclencher le mouvement d’un marteau brisant une fiole contenant du cyanure en cas de désintégration de l’atome, on aboutit à une conclusion étonnante : tant qu’un observateur n’ouvre pas la boîte pour observer le chat de l’expérience de pensée proposée par Schrödinger, ce dernier est quantiquement dans une superposition d’états, à la fois vivant et mort !
Crédit : universe-review

Certains chercheurs firent même des propositions radicales. La mécanique quantique devrait subir des modifications spécifiques si on l’applique à des organismes vivants et encore plus à des organismes vivants doués de conscience. Von Neumann et Wigner ont émis des idées allant plus ou moins dans ce sens, plus précisément sur l’existence d’un lien mystérieux entre conscience et mécanique quantique. A l’inverse, des chercheurs comme Bohr et aujourd’hui Paul Davies se sont demandés si la mécanique quantique orthodoxe ne pouvait pas être une clé de certains processus biologiques.

Des chercheurs plus conservateurs et en particulier Wojciech Hubert Zurek ont suivi la piste dite de la théorie de la décohérence.

Point n’était besoin d’invoquer l’influence de l’esprit ou une modification de la théorie quantique selon eux. La simple influence de l’environnement physique macroscopique extérieur à un système quantique provoque le passage d’un objet du monde quantique au monde classique en le perturbant légèrement.

Spontanément, le chat de Schrödinger simultanément mort et vivant bascule dans un seul état à la manière d’un crayon en équilibre sur une pointe fine. Dans cette métaphore, aucun vide suffisamment poussé ne pourrait être réalisé, de sorte qu’il y a toujours un mouvement d’air ou de quelques molécules qui finit par entraîner la chute du crayon.

La théorie de la décohérence devait subir une confirmation spectaculaire avec les travaux de Serge Haroche et ses collègues en 1996. A l’époque ,des atomes de Rydberg avaient été utilisés mais tout récemment, ce sont des photons qui ont permis de montrer que là encore, la théorie de la décohérence était opérationnelle.

Et avec un virus ?

Aujourd’hui, Oriol Romero-Isart, du Max Plank Institute for Quantum Physics à Garching en Allemagne, analyse avec ses collègues dans un papier paru sur Arxiv, la possibilité de se rapprocher des conditions de l’expérience de pensée de Schrödinger. Les chercheurs pensent en effet qu’il est possible de placer un virus dans un état de superposition quantique.

A priori, un virus n’est pas considéré comme vivant par la grande majorité des biologistes mais il y a parfois débat. En tout état de cause, il s’agit d’un objet plus complexe et plus gros qu’un atome et on peut se demander ce qui se passera dans une telle expérience.

La théorie de la décohérence est formelle de ce point de vue, les lois de la mécanique quantique s’appliqueront et il n’y a pas de raison de penser que quoi que ce soit de nouveau n’émerge. Cela devrait cependant constituer une excellente illustration des principes de la mécanique quantique.

Le protocole de l’expérience décrit par les chercheurs est le suivant. On commence par placer des virus dans une cavité sous vide. Ce sont des objets chauds, ce qui veut dire que le temps de décohérence, ou pour reprendre l’image du crayon, le temps pendant lequel celui-ci restera en équilibre, est très très court. Pour voir les effets de superposition des états, il faut donc abaisser la température des virus, qui est liée à leur agitation, très similaire à celle d’un gaz de particules.

Pour refroidir les virus, on opère comme, par exemple, dans les expériences sur les condensats de Bose-Einstein, c’est-à-dire avec des faisceaux lasers. Les ondes électromagnétiques ralentissent donc le mouvement des virus un peu à la façon d’un objet en mouvement dans de la mélasse et leur température chute fortement. Le temps de décohérence peut alors devenir beaucoup plus long. Un autre rayon laser est ensuite utilisé pour mettre le virus dans un état de superposition de deux positions différentes simultanément. On est alors dans une situation identique à celle du chat de Schrödinger, à la fois mort et vivant.

En pratique, il faut un virus capable de supporter le vide et possédant des propriétés diélectriques telles qu’un rayon laser puisse le freiner sans le détruire. Le premier virus découvert, celui de la mosaïque du tabac (TMV pour Tobacco mosaic virus), un virus à ARN infectant les plantes, en particulier le tabac, semble faire l’affaire. Il se présente comme un long cylindre d’environ un micron de long et 50 nanomètres de diamètre.

Si cette expérience réussit, elle ne sera qu’une étape, selon Romero-Isart et ses collègues. On l’a dit, la majorité des biologistes ne considèrent pas les virus comme des êtres vivants. Il en existe cependant qui pourraient convenir. On pense aux tardigrades. Ce sont des organismes stupéfiants qui peuvent résister (entre autres désagréments) à de basses températures et à un vide poussé. Ils auraient aussi les bonnes propriétés optiques pour pouvoir être freinés par laser et ensuite être mis dans un état de superposition quantique.

Dans tous les cas, il n’y a cependant pas de raison que le processus de décohérence n’opère pas correctement, tout comme avec des atomes ou des molécules inorganiques. Si elles se révèlent réalisables, ce genre d’expériences n’en constituera pas moins une excellente illustration des principes de la théorie quantique et de la théorie de la décohérence, montrant que, malgré les apparences, nous vivons bel et bien dans un monde quantique…

Source : “Par Laurent Sacco, Futura-Sciences“

Je sais, c’est en anglais. http://www.youtube.com/watch?v=D8IcciRHGvQ

-Le multilinguisme vous donne accès à une multitude d’informations.-

http://fr.wikipedia.org/wiki/Émotion +

http://fr.wikipedia.org/wiki/Méditation +

http://fr.wikipedia.org/wiki/Analyse +

http://fr.wikipedia.org/wiki/Contemplation +

((http://fr.wikipedia.org/wiki/Objectivité#.C3.89thique))

=

http://fr.wikipedia.org/wiki/Conclusion ?

Voici l’équation hypothétique pour atteindre un maximum d’objectivité.

L’émotion consiste à être la première ligne de traitement des entrées sensoriels. Elle permet des décisions rapides à court terme.

La méditation permet de retrouver le calme, de se détacher de soi-même pour ne pas biaiser la prochaine étape.

La contemplation permet de trouver les meilleures voies de recherches. Faire des analogies devient plus simple.

L’analyse est la capture d’informations supplémentaires visant à cerner plus précisément la source de l’émotion. Comme un puzzle, le nombre et la variété des pièces représentent le niveau de difficulté qui semble s’étendre vers l’infini.

Même en suivant ces quatres étapes pour atteindre la dite objectivité, la seule conclusion durable que J’en ai tiré jusqu’à maintenant est que l’image même du puzzle universel change à chaque nouveau morceau ajouté. Ça ne vous fait pas penser à la mécanique quantique par hasard ?

Tout est quantique

(Agence Science-Presse) – Parmi les abus de langage des promoteurs de diverses pseudo-sciences, le terme quantique a la cote.

Il semble qu’ajouter cet adjectif à côté de n’importe quelle théorie, même la plus farfelue, lui donne instantanément de la crédibilité. À leur défense, il faut dire que même les physiciens les plus chevronnés sont dans la brume quand il s’agit d’expliquer le fonctionnement de notre univers, à cette échelle de l’infiniment petit.

Pour démêler le sérieux du fantaisiste —et la religion de la science— le physicien Victor Stenger a choisi d’intituler son livre de vulgarisation… Dieux quantiques (Quantum Gods: Creation, Chaos and the search for cosmic consciousness, Prometheus Books).

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Conte illustré ralliant l’imagination débordante de Patrick Viger, un jeune de 15 ans, l’expérience littéraire de Raymond Viger et les illustrations professionnelles de Victor Panin. Patrick Viger a commencé à écrire en duo avec son père dès l’âge de 8 ans. Cette écriture a commencé par un jeu; une façon d’établir une relation entre un père et son fils. Ce conte illustré a été écrit pour le plaisir et l’amusement. 4,95$

Disponible Par téléphone: (514) 256-9000, en région: 1-877-256-9009
Par Internet: www.refletdesociete.com
Par la poste: Reflet de Société 4233 Ste-Catherine Est Montréal, Qc. H1V 1X4

Vous faire découvrir un sketch vraiment marrant pour le scientifique que je suis ^^

La physique quantique pour les nuls par Alexandre Astier

“La physique quantique pour les nuls” est un sketche présenté par Alexandre Astier (réalisateur de la série Kaamelott sur M6), lors du spectacle Paris fait sa comédie.

L’objet du sketche est notamment de se moquer des cours de sciences, dans lesquels les élèves sont les premiers à n’y rien comprendre. Je peux témoigner : il n’est pas rare que les profs les plus pointus partent dans des digressions qu’ils sont seuls à suivre. Bien sûr, ça n’est guère drôle lorsque l’on sait que l’on va être noté sur le blabla incompréhensible que le prof déblatère, mais il reste certain qu’avec du recul, ça devient tout de suite poilant

Mais elle est énorme cette vidéo dans l’expression, l’élocution, les termes utilisés etc, sooo true !!! Je suis éclaté de rire à chaque fois que je la regarde !

Je viens de terminer ce livre dont j’ai aimé l’écriture simple et élégante, avec cette marque qui est pour moi celle des vrais écrivains : une écriture réinventée presque à chaque phrase malgré sa réelle simplicité. Une atmosphère magique. On se croirait parfois dans “Les hauts de Hurlevent” ou sur la lande où hurle le chien des Baskerville, et partout le mystère  transpire , jusque dans les gestes les plus quotidiens. Pourtant il m’a semblé que l’auteur conduit sa narration de façon banale et prévisible, et je suppose que c’est son choix. Il reste que j’ai bien fonctionné avec les paradoxes dont le livre abonde. C’est  un singulier paragraphe que j’ai choisi de citer ici, car il me semble être le petit frère de cette assertion de physique quantique : quand le pêcheur jette sa ligne dans l’eau,  le poisson se forme autour de l’hameçon.

(c’est le personnage Robert Aiken qui parle, page 262)
“J’ai parfois pensé que notre esprit est comme un oignon au centre duquel il n’y a rien ; ou, en tout cas, qu’il n’a pas plus de consistance qu’un arc-en-ciel – nous devons l’inventer chaque fois que nous voulons l’examiner. Peut-on jamais arriver à se connaître assez pour savoir ce nous pousse à agir ? Et pour ce qui est de connaître les autres, même nos intimes, même ceux que nous aimons, quand nous essayons de les décrire nous nous rendons compte à quel point ils nous sont complètement étrangers. Mais nous les transformons en mots malgré tout et nous prétendons que leurs esprits ont la même consistance que leurs corps.”

Mysterium
Eric McCormack
Ed. Christian bourgeois

Un long article divisés en quelques Pourquois, Comments et Combiens. On commence en douceur:

Pourquoi un miroir inverse-t-il la gauche et la droite et pas le haut et le bas ?

cette question “bête” en soulève deux autres moins triviales :

1. comment marche un miroir ?
2. comment définir la “gauche” et la “droite” ?

Un miroir réfléchit simplement la lumière en n’inversant rien du tout : en face d’un miroir, la lumière issue de votre main droite rebondit sur le miroir et arrive à vos yeux par la droite. La lumière venant de vos pieds vous parvient de même par le bas : tout est à sa place. Tout, sauf la “profondeur” : c’est en fait la distance des objets au miroir qui est “inversée”, autrement dit “l’avant” et “l’arrière” [1].

Notre image dans un miroir est donc “retournée comme un gant” : un gant droit retourné devient un gant gauche, comme nos mains dans le miroir [2].

"Toby Reflects" par Kevin Steele sur flickr

Même si nous nous regardons dans des miroirs artificiels ou naturels depuis pas mal de miliers d’années, nous avons toujours de la peine à comprendre que la symétrie ne correspond pas à une rotation (sauf dans un espace de dimension supérieur, comme le note  Xochipilli dans son très chouette article [1] ). Ce fait bien connu des joueurs de Tetris n’empêche pas certaines de tenter avec obstination d’orienter leurs mèches de cheveux à gauche ou à droite alors que personne ne les verra jamais comme elles se voient dans un miroir…

Ce qui nous amène à la seconde partie de la question : les notions de “gauche” et de “droite” ont-elles une réalité physique ? Autrement dit, existe-t’il des objets ou phénomènes dont l’image dans un miroir serait impossible ?

On pense tout de suite à l’écriture : un texte vu dans un miroir est illisible, ou du moins pas facilement. Mais ce n’est qu’une question de convention : on aurait très bien pu écrire de droite à gauche comme certaines langues, en utilisant des lettres “retournées”  comme dans cette jolie affiche:

Du russe ou du ЯIOЯIM ?

Comment expliquer la gauche et la droite aux extraterrestres ?

Page 15 du message de Dutil et Durand. Le message de paix pourrait-être lu à l envers

(On admet qu’on ne dispose pas de points de repère communs avec les extra-terrestres, sinon ça serait trop simple… Disons qu’ils vivent sous une couverture nuageuse perpétuelle et ne connaissent rien à l’astronomie …)

Cette question est équivalente à celle posée plus haut : il suffirait de décrire dans le message un objet ou un phénomène physique dont l’image dans un miroir ne peut pas exister dans la réalité .

Il existe bien quelques objets déroutants en version “miroir”, comme les tire-bouchons “tourne à gauche”  vendus dans les farces et attrapes, mais ils sont tous aussi possibles à réaliser que leur version “normale”.

Une molécule chimique ? Il en existe beaucoup qui ont une forme différente de leur image dans le miroir. Par exemple le sucre existe sous forme de dextrose qui fait tourner le plan de polarisation de la lumière à droite et sous sa forme énantiomère lévogyre. La chiralité des molécules détermine donc parfois leur propriétés physiques, mais …  tout reste cohérent vu dans un miroir.

Les effets de ces molécules peuvent être très différents selon leur forme dans le miroir : la catastrophe de la thalidomide est due à l’énantiomère d’un bête calmant, et la L-métamphétamine débouche juste le nez,  alors que  la D-métamphétamine a d’autres effets…

D-méthamphétamine / L-méthamphétamine

La raison de ceci est que ces molécules interagissent différemment avec les molécules de notre organisme, qui ont elles-mêmes une certaine géométrie plutôt que leur image dans le miroir. Ainsi les êtres vivants sur Terre produisent ou consomme beaucoup plus de D-glucose (ou dextrose) que de L-glucose, et  l’ADN présent dans tous les être vivants à la forme d’une double hélice tournant dans à droite. Mais il n’y a pas de raison fondamentale à ceci : la vie a probablement “préféré” une forme plutôt qu’une autre à ses débuts, et cette “brisure de symétrie” s’est propagée par contagion, mais il une biochimie “dans le miroir” est parfaitement cohérente.

L’électromagnétisme alors ?  Si on fait passer un courant électrique dans une bobine, on crée un champ magnétique avec un pôle Nord et un pôle Sud. Si la bobine est bobinée à l’envers, les pôles Nord et Sud sont inversés.

Oui… mais les notions de pôles magnétiques “Nord” et “Sud” sont tout à fait conventionnelles (jusqu’à ce qu’on trouve des monopôles magnétiques) : le schéma ci-dessus reste parfaitement cohérent vu dans un miroir.

Combien de fêlures dans les miroirs de la physique ?

Jusqu’en 1956,  l’Univers observé dans un miroir était parfaitement cohérent. De fait, 3 des 4 forces fondamentales ont une “Symétrie-P” ou “Parité” parfaite. Mais en 1956,  une dame démontra une violation de parité concernant la 4ème force, l’interaction faible. Lors de désintégration β d’un noyau de Cobalt 60, un électron est émis dans une direction aléatoire. Mais il y en a statistiquement 1 sur un million de plus qui part dans la direction opposée à celle du spin du noyau que dans la direction du spin (le spin indique le sens de rotation du noyau). En regardant l’expérience dans un miroir le spin change de sens et l’électron irait très légèrement plus souvent dans la direction du spin, ce qui est contraire à l’expérience. L’interaction faible “préfère” très légèrement la rotation à gauche et  on pourrait donc expliquer aux extraterrestres notre convention gauche/droite en leur transmettant ce dessin:

Mais si par malheur nos extraterrestres vivent dans une Galaxie (hypothétique) formé d’antimatière, on a un gros problème : l’antimatière peut également être considérée comme “vue dans un miroir”. Chaque particule de la physique possède son antiparticule dont toutes les caractéristiques sont les mêmes sauf la charge électrique, qui est inversée. Le “miroir” de la “Symétrie C” (C comme charge) est très semblable à celui de la symétrie P : toute la physique et la chimie est parfaitement identique avec de l’antimatière qu’avec de la matière, sauf pour l’interaction faible, exactement comme ci-dessus.

Autrement dit, si nos extraterrestres font l’expérience avec un noyau de ce que nous appellerions de l’anti-Cobalt 60 et observent la direction d’émission du positron, tout marchera parfaitement bien mais ils comprendront absolument tout à l’envers : la gauche et la droite, le signe des charges électriques, les pôles Nord/Sud magnétiques etc. Et la rencontre des deux civilisations fera des étincelles …

Le problème est que notre dessin implique en fait 2 miroirs, le C et le P qui inversent tous deux de la même manière l’expérience, et comme chacun sait, si on regarde notre reflet dans un miroir à l’aide d’un autre miroir, tout se remet en place.

"Two Mirrors" de Steven Scott

On appelle “Symétrie CP” l’image de l’Univers qu’on obtient en inversant à la fois la gauche et la droite et les charges électriques, et cette symétrie était parfaite. Mais dans les années 1960, on a découvert une très légère brisure de la symétrie CP : la transformation d’un kaon en antikaon est 1 milliardième de fois  plus rare que la transformation d’un antikaon en kaon.

Cette nanoscopique (10^-9) fêlure a une conséquence pratique assez importante: nous existons.

En effet, c’est la violation de la symétrie CP qui fait que le Big Bang a eu la bonne idée de produire un milliardième de plus de matière “normale” que d’antimatière, et c’est ce milliardième qui ne s’est pas annihilié avec l’antimatière qui constitue tout ce qui nous entoure, sans quoi il n’y aurait pas eu grand chose après “que la lumière soit”.

Comment transformer une caméra vidéo en miroir temporel

Réponse : c’est très facile et amusant :

Même un extra terrestre très différent de nous devinerait assez vite qu’il regarde le film à l’envers parce que beaucoup de phénomènes macroscopiques ont une préférence pour le futur. Ce n’est pas le cas à petite échelle : toutes les interactions entre particules peuvent se produire “en sens inverse” : la mécanique quantique possède une “symétrie T” que l’on retrouve dans les diagrammes de Feynman dont Benjamin a causé ici.

Voici donc un troisième miroir légèrement imparfait, qui peut se combiner avec les autres ! D’ailleurs, pour réaliser le film ci-dessus, je suppose que la demoiselle qui va “à l’endroit” regarde dans un miroir pour marcher à l’envers sans se heurter à la foule. En quelque sorte, la symétrie PT a permis de rendre le film plus réaliste que la symétrie T ne l’aurait permis.

Mais à propos… pour la violation de la symétrie CP on a dit que la transformation d’un kaon en antikaon plus rare que son contraire, mais si on passe le film de l’expérience à l’envers ? On verra plus de kaons se transformer en antikaons, donc l’Univers observé dans les trois miroirs C,P et T sera parfaitement cohérent avec les observations dans l’Univers “normal”.

La “symétrie CPT” est aujourd’hui considérée comme une loi fondamentale de la physique car c’est une des rares qui soit compatibles à la fois avec la mécanique quantique et la théorie de la relativité via le principe d’invariance de Lorentz. Mathématiquement, on a même réussi à montrer que la symétrie T était identique à la symétrie CP et donc que toute violation de la symétrie CP devait causer une violation de T équivalente, et vice-versa.

Les conséquences de la symétrie CPT

Avertissement : dans ce paragraphe, je m’avance un peu en terrain dangereux, mais c’est pour mieux vous faire réagir si vous maitrisez le sujet mieux que moi …

Une conséquence fondamentale de la symétrie CPT est qu’il est impossible de distinguer:

• une particule qui se promène entre les points A et B
• son anti-particule qui suivrait la même trajectoire entre A et B, filmée dans un miroir, et dont on passe le film à l’envers (où on la verrait donc aller de B en A)

Si on suppose que le temps existe comme une 4ème dimension, on peut aller un peu plus loin en disant que ces deux observations sont parfaitement indiscernables :

• une particule qui se promène entre les points A et B
• son anti-particule qui remonte le temps entre B et A, vue dans un miroir.

Donc lorsqu’on reçoit par exemple un rayon cosmique sous forme d’un antiproton à haute énergie, ne devrait-on pas vérifier s’il ne s’agirait pas d’un proton généré par un événement futur et qui remonte le temps? Est-ce que des installations comme l’observatoire Pierre Auger ont un “miroir” permettant d’observer la brisure de symétrie P qui distingue les deux cas ?

Dans le même ordre d’idée, l’effet Casimir est décrit par des phénomènes quantiques représentés par des diagrammes de Feynman ressemblant à la figure ci-contre, et qui surviennent des milliards de fois chaque seconde dans chaque millimètre cube de vide de tout l’Univers…

La lecture classique est que 2 particules virtuelles, dont l’une est l’antiparticule de l’autre apparaissent spontanément par les fluctuations quantiques du vide, et leur annihilation mutuelle un court instant plus tard restitue “l’énergie du vide” empruntée par les particules.

Mais là aussi, je me demande comment distinguer cette interprétation de celle d’une particule tournant “en rond” dans le temps : pendant sa phase de retour dans le passé, la particule nous apparait exactement comme son antiparticule allant vers le futur … Existe-t-il une expérience permettant de vérifier la symétrie P du phénomène pour exclure cette interprétation ?

Références:

1. “Jeu de réflexion” sur le Webinet des Curiosités
2. Michel Thévoz “L‘homme retroussé“
3. Message de Dutil et Dumas sur Astrosurf
4. “La chimie prébiotique” sur Astrosurf
5. Tom Roud “Symétries I : de l’importance des symétries en physique“
6. Tom Roud “Symétrie II : Groupes de symétries“
7. Tom Roud “Symétries III : symétrie miroir, vecteurs et brisure de symétrie“

Autres articles sur des thèmes connexes:

• Peut-on voyager dans le temps ?
• le temps, une 4ème dimension imaginaire
• Comment contruire un machine à voyager dans le temps ?
• Sur Feynman : Il y a plein de place en bas et L’éviteur d’axe

Malgré les fantastiques progrès de la physique depuis la théorie de la relativité et l’avènement de la mécanique quantique, le débat fait toujours rage autour de la question “qu’est-ce que le temps?“

L’ “institut des questions fondamentales en physique et cosmologie” fq(x) a organisé un  concours d’essais (en anglais…) sur ce thème. Les auteurs étaient invités à soumettre un article d’un niveau intermédiaire entre “Pour la Science” et “Science” ou “Nature”. Ce concours vise donc surtout les spécialistes de la physique théorique, option cosmologie, mécanique quantique et/ou thermodynamique, mais certains passionnés ont aussi soumis leurs idées. A noter que Lee Smolin, un précurseur de la question “What is Time” est membre de la fondation fq(x).

C’est un succès : une bonne centaine d’articles ont été soumis, les forums de discussion attachés à certains article sont très animés, et le public peut voter jusqu’au 1er janvier 2009 pour désigner la meilleure contribution.

La plupart des essais tentent de réconcilier les deux conceptions du temps fondamentalement différentes (déja esquissées dans “Peut-On Voyager dans le Temps“):

1. l’ “éternalisme”, ou théorie de l’Univers-Bloc, qui découle logiquement de la théorie de la relativité.
2. le “présentisme”, résultant d’une vision quantique du monde.

l’Univers-bloc

Dans la sa version la plus simplifiée,  l’Univers-bloc ressemble à un “flipbook” :

Si on considère le  ”flipbook” comme un “univers” à 2 dimensions spatiales (où l’on dessine) + 1 temporelle (les pages qu’on feuillette) , on peut imaginer l’Univers-bloc comme ayant 3 dimensions spatiales,plus la fameuse 4ème dimension du temps.  Le “présent” ne serait alors qu’une “tranche” à 3 dimensions traversant l’Univers selon l’axe du temps à la vitesse d’une seconde par seconde.

L’Univers-bloc est une solution de l’équation d’Einstein, dans lequel le temps est une 4ème dimension imaginaire au sens mathématique du terme. Ceci permet de très bien décrire la relativité, au point que Ken Wharton considère dans ”Lessons from the Block Universe” ,  que

L’univers-bloc est de loin le meilleur cadre (framework) pour les théories physiques, du fait que la relativité générale est simplement incompatible avec toute alternative

En effet, dans l’Univers-bloc, chaque point de l’Univers peut avoir son propre “présent”, défini par le “cône de lumière du passé”, sur lequel se trouvent tous les objets que nous voyons à cet instant. Plus ces objets sont éloignés, plus ils mettent de temps à agir sur nous, et toutes les actions ou interactions qui surviennent ici et maintenant n’influenceront le futur qu’à l’intérieur du “cône de lumière du futur”. De ce fait, nous n’avons aucune idée de ce qu’est le “présent” sur la Galaxie d’Andromède depuis 2.5 millions d’années, et nous n’avons aucune façon de le savoir avant 2.5 millions d’années.

De plus, comme non seulement la théorie d’Albert, mais aussi de nombreuses expériences montrent que le temps ne s’écoule pas partout à la même vitesse, nous sommes amenés à imaginer que le passé et le futur sont aussi des notions “locales”, et que le seul moyen de rendre le passé d’un point cohérent avec le futur des autres est de considérer que tout “préexiste”.

Dans l’Univers-bloc, le passé existe encore et le futur existe déjà. Ils sont prédéfinis. L’Univers-bloc est déterministe, figé, et notre libre-arbitre est une magnifique illusion. Notons en passant que le voyage dans le temps n’est pas exclu dans l’Univers-bloc, mais il est limité à des particules “tournant en rond” sur de boucles figées, ce qui exclut toute possibilité de “modifier le passé”.

Outre une réalité difficile à accepter par les “animaux prétentieux” que nous sommes, l’Univers-bloc est totalement contradictoire avec la mécanique quantique, qui démontre par de très nombreuses expériences aussi que le hasard est fondamental en physique.

Le Présentisme

Radicalement opposés à l’Univers-bloc, les “présentistes” soutiennent que seul le présent existe. L’univers est défini par un seul “état” que l’on peut imaginer comme un très grand vecteur contenant les positions, vitesses charge électrique etc. de toutes les particules de l’Univers. Les variations de ce vecteur selon les lois statistiques de la mécanique quantique définissent la “flèche du temps” qui  pointe en direction d’un Univers plus probable à chaque instant, expliquant ainsi comment les phénomènes fondamentalement réversibles de la mécanqiue quantique produisent des phénomènes aussi irréversibles que la dilution d’un nuage de lait dans votre thé de Noël.

Le voyage dans le temps dans l’Univers présentiste est beaucoup plus délicat, voir impossible : il n’y a nulle part où aller car le vecteur d’état n’est “mémorisé” nulle part. En fait le présentisme pose la question même de l’existence du temps : que représente la variable t de nos cours de physique dans un monde sans passé ni futur ? A quoi bon se fatiguer à compter 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les niveaux hyperfins F=3 et F=4 de l’état fondamental 6S½ de l’atome de césium 133 pour décréter qu’une seconde s’est écoulée, alors que le vecteur d’état n’en a rien à battre ?

C’est notamment le point de vue de Carlo Rovelli, professeur de physique à l’Université de Marseille dans “Forget Time” selon qui

Dans la nature, il n’y a pas de variable préférentielle t pour un temps physique. Il n’y a pas d’états d’équilibre préferés ρo a priori. Plutôt, toutes les variables sont équivalentes; nous pouvons trouver le système dans un état arbitraire ρ ; si le système est dans un état ρ, alors une variable préférentielle est rendue célibataire (“singled out”) par l’état du système. C’est cette variable que nous appelons “temps”.

Essais de réconciliation

Peu de textes proposés défendent bec et ongles l’une ou l’autre position, et c’est une bonne nouvelle : chaque tendance reconnait des points forts dans l’autre et comprend la nécessité de proposer une vision du temps englobant les acquis des deux théories indestructibles de la physique moderne : la mécanique quantique et la relativité. Cet effort est très semblable (identique ?) à celui tentant d’unifier la gravitation aux autres forces “atomiques”. Je n’ai hélas pas eu le temps de lire en détail les dizaines d’articles que j’aurais souhaité étudier, mais voici déjà quelques mots sur ceux qui m’ont intéressé jusqu’ici :

• Commençons par Sean Carroll, qui maintient l’excellent blog “Cosmic Variance” grâce auquel j’ai découvert ce concours et où se trouve notamment une FAQ sur la flêche du temps. Dans son essai, il What if Time Really Exists? il propose de considérer tout de même le temps explicitement dans l’univers présentiste ce qui permettrait, si j’ai bien compris car son article est tout de même très technique, de considérer la mécanique quantique comme une théorie “duale” de l’univers relativiste.
• Cette idée de dualité se retrouve dans un article plus accessible, “Time Complementarity in the Inflaton Spacetime Model” de Richard P. Dolan selon qui
  

  Dans le modèle de l’espace-temps “inflaton“, il y a une dualité inhérente entre le concept  “univers-bloc” du temps et notre sensation d’un temps qui s’écoule. Ces visions sont complémentaires dans le même sens que la nature corpusculaire et ondulatoire du photon. Alors que les lois de la physique voient l’univers-bloc, nous ne voyons que le temps qui s’écoule car nous somme faits du flux du temps.

• Elliot McGucken aka “Dr. E” a intensivement utilisé les forums de pratiquement tous les autres articles pour promouvoir son propre essai baptisé Time as an Emergent Phenomenon: Traveling Back to the Heroic Age of Physics” dont l’abstract est très attrayant :
  

  Dans son manuscrit sur la relativité de 1912, Einstein n’a jamais dit que le temps est la 4ème dimension, mais il a plutôt écrit x4=i.c.t. 4ème dimension n’est pas le temps, mais i.c.t. Malgré ceci, des physiciens réputés égalent le temps et la 4ème dimension, conduisant à des paradoxes insolubles et des confusions sur la nature physique du temps car les physiciens projettent faussement des propriétés des 3 dimensions spatiales sur une dimension temporelle, arrivant à des concepts curieux comme le “temps gelé” ou “l’univers-bloc” dans lesquels le passé et le futur sont omni-présents, niant le libre arbitre tout en permettant des voyages temporels vers le passé, que des visiteurs venus du futurs doivent encore prouver. Commençant avec le postulat que le temps est un phénomène émergent, résultant d’une quatrième dimension en expansion par rapport aux dimensions spatiales à la vitesse c, divers phénomènes comme la relativité, la mécanique quantique et la mécanique statistique sont pris en compte.(…) La théorie présentée postule que la 4ème dimension se déplace indépendamment des 3 dimensions spatiales, ce qui distribue la localité et donne naissance au temps.

  Dr. E. tente donc de découpler la relativité de la conception de l’Univers-bloc, en considérant l’Univers en expansion également dans la dimension imaginaire du temps. En gros il propose une cosmologie autorisant le présentisme, ce qui est très intéressant. Mais la démonstration de la compatibilité avec les théories physiques (relativité, quantique, thermodynamique) semble un peu courte, comme en témoigne une avalanche de commentaires.

• A l’inverse, pour les défenseurs de l’Univers Bloc comme Ken Wharton dans “Lessons from the Block Universe”, la mécanique quantique pourrait être reformulée dans l’Univers bloc.
• Mark Stuckey suit une approche similaire dans “Time, Space and Matter in the Relational Blockworld: A New Approach to the Problems of Time“. Il étend la notion d’espace-temps à l’espace-temps-matière et ajoute une notion de graphe relationnel à l’univers-bloc pour y intégrer la mécanique quantique.

De la théorie à la pratique

Tous ces articles sont bien théoriques… Seuls quelques auteurs ont suggéré des validations expérimentales possibles :

• Dans “Flowing with a Frozen River” Cristinel Stoica propose une expérience permettant de tester l’existence du libre arbitre, et donc de confirmer ou d’invalider l’Univers-bloc. Je n’ai encore pas tout compris…
• “No Time for Quarks!” de Franklin Potter prédit l’observation prochaine au LHC de quarks b’, qui prouveraient que les leptons et les quarks se déplacent sur une grille d’espace-temps discrète.
  
• Dans “A Practical Experiment to Observe the Direction of Time.” by Kenneth M. Sasaki propose une expérience destinée à confirmer une version modernisée de la théorie de l’Ether, qui n’est donc toujours pas morte …
  

Conclusion

Cet article m’en a pris beaucoup, du temps. Initialement je voulais lire (et comprendre) tous les essais proposés, mais sans machine à remonter le temps je n’aurais rien publié avant la fin des votes. Donc n’hésitez pas à butiner aussi dans les essais que je ne mentionne pas ici et à faire part de vos découvertes dans les commentaires. Il y aura d’autres articles sur le temps bientôt sur Dr. Goulu car

• soit c’est certain car nous vivons dans un Univers-Bloc et ils sont déjà écrits, il faut juste que le cône de lumière les éclaire …
• soit la flèche du temps pointe dans la direction où l’entropie les force à sortir de mon cerveau à 37° pour les étaler sur un écran à 20° …

Au cours d’une discussion sur les outils de cartographie, de découverte et d’historisation du web avec David, nous en sommes venus à une réflexion plus profonde sur la nature même de cet objet protéiforme. On a tendance à penser le web comme un objet, donné, posé, subjectif.

Et si en réalité il était construit parce que nous l’observons ? Et s’il n’était pas le même selon la façon dont on le regarde ? Et si le web était constructiviste ?

Le web a quelque chose de particulier qui le rend inobservable, ou du moins qui en rend toute photographie datée très difficile. Car le web bouge trop rapidement pour nous, observateurs, et même pour les outils informatiques les plus puissants.  On se trouve en réalité comme devant le ravalement d’une cathédrale en accéléré : une partie de la façade est rénovée, on voit quelle partie sous les échaffaudages est en train de l’être, quelle partie est ancienne et attend son tour. Mais si l’on regarde l’ensemble, une fois arrivé au bout du ravalement la partie rénovée en premier aura déjà commencé à se ternir… Des liens meurent, le contenu mis en ligne devient colossal.

Par exemple Wikipedia est dans une situation particulière car contrairement à une encyclopédie classique, son contenu évolue en permanence. Ce n’est donc pas une document étudiable par un sociologue, puisqu’il bouge sans cesse sous  son nez.

De plus, le web a quelque chose de quantique : l’observer, c’est modifier son comportement. Si je consulte un blog, ses statistiques de visite augmentent et il grimpe dans les classements. Si je clique un lien proposé dans un moteur, ce lien sera lui aussi indexé avec une unité supplémentaire. Si je regarde une vidéo dans YouTube ou Dailymotion, le nombre de vues augmentera… Aussi, dès que mon clic aura été effectué, ceux qui passeront après auront peut-être un web différent par effet de classement des liens qui prennent en compte le nombre de visites. C’est d’ailleurs valable pour la publicité commerciale, qui s’adapte aux clics !

Le web n’est pas non plus le même selon les lunettes que l’on chausse pour le regarder. Si je vais sur une page, j’ai tout son contenu : images, texte, publicité, liens, éléments sonores. Si mon navigateur ne prend pas nativement les éléments en Flash, déjà une différence se fera et je ne verrai pas la même chose. Si je consulte le seul contenu de certains sites ou blogs à travers un lecteur de flux RSS/Atom, je vais éviter les publicités contextuelles mais aussi peut-être perdre la musique diffusée sur le site ou ne pas avoir accès à certains éléments (flux Twitter ou Friendfeed mis en colonne par exemple). Je n’aurai pas accès aux commentaires si c’est un blog ou un site qui le permet.

Si l’on consulte le site depuis un téléphone mobile, il y a des chances que le navigateur charge d’office la version mobile dudit site web, qui n’est pas toujours complète ni organisée de la même manière.

Le web est donc un curieux objet, peut-être plus étonnant encore que ce qu’on imagine.

Quelques questions fréquemment posées à propos du LHC du CERN :

• C’est quoi, un hadron ?
• D’où viennent les protons ?
• Combien y’a-t-il de protons qui tournent ?
• Combien de temps les protons passent-ils dans l’expérience ?
• MeV, GeV, TeV ???
• Violent comme une collision de moustiques … ou de trains ?
• Comment font les protons pour tourner dans des sens différents ?
• ALICE

C’est quoi, un hadron ?

Logiquement, le LHC aurait pu s’appeler LPC, pour “large proton collider” parce qu’on y fracassera prochainement des protons les uns contre les autres. Mais plus tard, on va également y accélérer des noyaux de plomb, formés de protons et de neutrons. Les protons et les neutrons appartenant à la famille des hadrons (ce sont plus précisément des baryons), on a trouvé que LHC, ça sonnait bien. Moi j’aurais préféré un nom plus poétique comme “tournicoton” ou “femto-banger”, mais on ne m’a pas demandé mon avis.

D’où viennent les protons ?

Le proton forme le noyau de l’atome le plus simple : l’hydrogène, qui est aussi de loin l’élément le plus abondant dans l’Univers. On en injecte un tout petit peu dans le “Duoplasmatron Proton Ion Source” dessiné ci-dessous par le “Gas feed”. Dans la “plasma chamber”, l’hydrogène est tellement chauffé par un arc électrique que les protons et les électrons qui leur tournent autour se séparent.

schéma du Duoplasmatron Proton Ion Source du CERN. (Cliquer dessus pour agrandir)

Au milieu de ce plasma se trouve la cathode et au bout du canal étroit, l’anode. Entre les deux on applique par impulsions une tension de 92′000 volts, ce qui accélère les protons en direction de la droite, et les électrons vers la gauche, où ils se font manger. Les électroaimants en vert servent à regrouper les protons le plus possible en un faisceau, mais ils arrivent par gros paquets à l’anode. L’ “expansion cup” les dilue un petit peu, de sorte qu’à la sortie on a de beaux trains de proton.

Tout ça n’est pas gros du tout, voici une photo du dispositif avec une bouteille d’hydrogène qui devrait suffire pour quelques années de fonctionnement :

Combien y’a-t-il de protons qui tournent ?

Il y a 2808 paquets de protons qui tournent en même temps dans le LHC dans chaque sens, et chaque paquet contient 100 milliards de protons. Au total, il y a un dix-milliardième de gramme de protons répartis sur les 27km de tube.

Combien de temps les protons passent-ils dans l’expérience ?

Quand un proton quitte sa source, il traverse un premier petit accélérateur linéaire, le “linac” qui l’accélère à 50 MeV en quelques microsecondes, et entre dans le “Proton Synchroton Booster” (PSB) qui l’accélère à 1.4 GeV en 530 millièmes de seconde. Puis il est injecté dans le “Proton Synchroton“, un accélérateur de 628m de circonférence datant de 1959. Là il est accéléré pendant environ 1 seconde. Il est déjà presque à la vitesse de la lumière, donc il parcourt 300′000 km pendant ce temps, doit près de 500′000 tours. Dans certains cas, le proton reste encore 1 seconde de plus avant d’être passé au SPS. Le “supersynchroton à protons” est un accélérateur de 7km de périmètre datant de 1976 ou les paquets de protons attendent entre 10.8 secondes et 0 secondes, ce qui permet de regrouper 4 paquets venant du PSB en un seul, prêt à passer dans le LHC. Jusqu’ici les protons ont passé entre 6 et 18 secondes environ dans l’antichambre de la bête.

Puis, les 2808 paquets de protons sont injectés un à un dans chaque sens du LHC pendant 20 minutes à une énergie de 450 GeV et quand ils se suivent bien gentiment à une distance de 7.5 mètres les uns des autres et que tout est stable, on met la gomme pendant 25 minutes pour atteindre les 7 TeV

MeV, GeV, TeV ???

L’ électron-volt (eV) est une unité à tout faire. A la base, c’est la minuscule énergie d’un électron accéléré par une tension de 1 Volt. Mais selon la célèbre équation d’Albert E=mc2 lue à l’envers, m=E/c2, la masse d’une particule peut aussi être mesurée en électron-volt (divisés par la vitesse de la lumière au carré, mais on laisse souvent tomber ce détail). Ainsi, un proton au repos à une masse de .938 GeV (Giga-électron-volt) et dans le LHC on l’accélère à 7 TeV (Tera-électron-volt) soit 7000 GeV.

Comme Albert s’obstine à dire que l’énergie et la masse c’est la même chose à un facteur près, ça signifie qu’à la vitesse correspondant à cette énergie (99.999999% de la vitesse de la lumière, “huit neufs” comme j’appelle ça dans “accélération“), tout se passe comme si le proton pesait plus de 7000x son poids au repos. Le choc n’en sera que plus violent.

Violent comme une collision de moustiques … ou de trains ?

Même multipliée par 7000, la masse d’un tout petit proton n’est que de 1.2477^-23 Kg, mais il va très vite. En se fracassant contre un autre l’énergie libérée est de 226′961 Joules, soit 0.063 KWh pour parler en unités d’énergie plus habituelles. C’est vraiment pas beaucoup, mais c’est extraordinairement concentré dans un minuscule pouillème d’espace.

D’un autre côté, le LHC devrait produire environ 2 milliards de telles collisions par seconde, et ça, ça correspond à une puissance telle que j’ai du me planter quelque part dans les calculs…

(La suite date du16/9/2008)

Heureusement Benjamin est venu à la rescousse : On parle de 600 millions de collisions par seconde. Au maxium, une collision est de 14 TeV (2 fois 7 TeV). 1 eV est égale à 1,602e-19 Joule. On obtient alors par seconde :

14e12*1,602e-19*600e6 = 1 345 Joules / sec = 1 345 Watt

Donc le LHC fournit une puissance (de collision) égale à environ 1,3 kW… Pas de quoi fouetter un chat mais c’est fabuleux quand on regarde la masse d’un proton.

Concernant l’énergie d’un faisceau LHC à 7 TeV, on obtient pour les 2808 bunches contenant 100 milliards de protons:
2808*100e9*7e12*1.602e-19 = 314 889 120 Joules

Donc l’énergie contenu dans le faisceau est de 350MJ (ca fait un TGV de 400 tonnes à 150 km/h).

L’énergie emmagasinée dans les aimants supraconducteurs pour faire tourner et focaliser les faisceaux est quant à elle gigantesque : On obtient un total de 11 GJ dans les aimants du LHC (de quoi faire fondre une demi tonne de cuivre).

Comment font les protons pour tourner dans des sens différents ?

D’abord, comme on le voit sur une figure précédente, les protons accélérés dans un seul sens dans le SPS sont transférés au LHC par deux chemins différents illustrés en rouge.

Pour tourner en rond dans les deux sens, les faisceaux de protons doivent être courbés par 1232 aimants “dipolaires”à supraconducteurs extrêmement puissants (8.3 Teslas, 11′850 Ampères, 35 tonnes / pièce …), mais qui doivent générer des champs inverses pour les deux directions .

Comme on le voit sur la coupe ci-contre, il y a en réalité 2 bobines supraconductrices pour chaque sens de circulation, avec des pôles N et S inversés, ce qui crée des lignes de champ illustrées sur l’image suivante :

Ce qui peut paraitre surprenant aussi c’est que le champ est orienté haut/bas et pas horizontal. Il faut se souvenir que ce n’est pas le proton qui est attiré par l’aimant, mais que c’est le courant électrique créé par son déplacement linéaire qui interagit avec le champ magnétique de l’aimant, ce qui crée sur les protons une force perpendiculaire au déplacement par la règle du tire-bouchon.

A noter que ce ne sont pas des aimants qui accélèrent les protons, mais des “cavités accélératrices” dans lesquelles règne un champ électrique de 6000V/m. Chaque cavité ne fonctionne que sur un seul sens.

(La suite date du20/9/2008)

ALICE

ALICE est l’un des 4 détecteurs installés aux 4 points ou les faisceaux se croisent. “Alice”, c’est l’acronyme de “A Large Ion Collider Experiment” : une expérience de collision de grozions gros ions. Les ions en question sont des noyaux de plomb contenant 82 protons que le LHC accélèrera une fois par mois environ au lieu de protons.

L’énergie des noyaux sera de 82 x 7=574 Tev, mais ça ne fait “que” 574/208 = 2.76 TeV par nucléon, à cause des neutrons. On aura donc des collisions plus énergétiques, mais des densités d’énergie moins élevées. Le but d’ALICE est d’étudier la purée quarks+gluons, en particulier des questions comme :

• A quoi ressemble la matière chauffée à 100′000 x la température au centre du soleil ?
• Pourquoi les protons et les neutrons pèsent 100x plus lourd que les 3 quarks dont ils sont constitués ? (et ça c’est une vachement bonne question…)
• Peut-on libérér les quarks collés (par les gluons) dans les protons et les neutrons ?

D’autres questions ?

Posez-les dans les commentaires et on tentera d’y répondre.

Références:

1. C.E. Hill “ION AND ELECTRON SOURCES” CERN, Geneva, Switzerland
2. LHC facts and figures
3. LHC machine outreach
4. l’inévitable Wikipedia
5. aimants et accélérateurs au cea : plein d’illustrations intéressantes
6. Alice et le plomb
7. Alice au CERN et aussi ici en anglais

Si je vous dis “quel nombre vient après 1,2,3, ?” vous allez certainement dire immédiatement “4″.

Si je vous dis réponds “non, c’est 5. Quel est le suivant ?” vous allez probablement penser aux nombres premiers et me dire “7″ (oubliant au passage que 1 n’est pas considéré comme premier, alors qu’il pourrait l’être pusiqu’il ne se divise que par 1 et par lui-même…)

Et là si je vous dis “non, le suivant est 8. Et celui d’après ?” vous allez peut-être vous rappeller de la Suite de Fibonacci, dans laquelle chaque nombre est la suite des deux précédents : 1,2,3,5,8 et donc proposer 13 comme nombre suivant. Si je voulais pousser le bouchon, je pourrais trouver 347 suites de nombres entiers contenant 1,2,3,5,8 et dont beaucoup continuent avec un autre nombre que 13, et répéter l’expérience encore plusieurs fois.

Le point essentiel est qu’il existe une infinité de courbes distinctes passant par des points donnés. Ce qui distingue ces courbes, c’est les points qui ne sont pas donnés, ou pas encore. Ceci est hyper important et super fondamental, rappelez-vous toujours de ça. Par exemple lorsque des financiers vous proposent des placements en vous montrant les belles courbes croissantes de leurs rendements sur les X dernières années, vous les projetez mentalement dans le futur, au risque de vous faire avoir comme ci-dessus.

Ce même principe peut être appliqué aux théories scientifiques. Je me restreins ci-dessous à la physique, mais le raisonnement me semble fondamental dans la démarche scientifique en général.

Si on prend tous les résultats de toutes les expériences scientifiques réalisées depuis Archimède dans sa baignoire jusqu’aux dernières photos de Hubble en passant par la pomme de Newton et l’éclipse d’Einstein et qu’on réduit ces résultats à des nombres* que l’on alignerait sur l’axe du temps, les théories scientifiques proposées pour expliquer les phénomènes observés correspondent à des courbes passant par certains de ces points :

• celles qui ne passent que par un seul point sont des idées qui ont mal tourné, genre “comme les oiseaux qui volent ont des plumes” (1 fait expérimental) “si je me colle des plumes et que je saute d’une tour, je vais voler … “. La courbe ne passe pas par le point prévu mais par un autre : “sauter d’une tour avec ou sans plumes fait très mal”.
• celles qui passent par quelques points, mais plus du tout par les suivants, comme la théorie de l’Ether et bien d’autres.
• celles qui passent par beaucoup de points, et juste à côté de certains autres, comme la gravitation de Newton qui décrit parfaitement la plupart des phénomènes de la mécanique terrestre et céleste, mais est juste un peu fausse pour tout ce qui est très lourd ou va très vite, et très faux pour les petites particules.
• celles qui passent par au moins la moitié de tous les points connus. La mécanique quantique et la relativité couvrent chacune une bonne moitié de la physique actuelle, avec des points de contact toujours plus nombreux.
• les “théories de Tout“, qui passent par tous les points mesurés par la physique. C’est beaucoup plus facile que ce qu’on croit car rappelez-vous, il y en a en principe une infinité, parmi lesquelles :
  • la théorie des supercordes
  • la Théorie de jauge supersymétrique
  • la Théorie de Seiberg-Witten
  • la Supergravité
  • la Supergravité maximale
  • la théorie de Garrett Lisi
  • les Multivers
  • les thèses des frères Bogdanoff
  • Dieu a créé l’Univers il y a 5000 ans (ou 5 minutes selon une autre théorie) en faisant tout pour qu’on croie que l’Univers a surgi du Big Bang il y a 13 milliards d’années.
  • le Pastafarisme, légère variante de la précédente.
  • et encore beaucoup d’autres

Avant de hurler parce que j’ai osé les mettre toutes à égalité, lisez bien la suite. Certaines de ces théories font des courbes bien lisses et cohérentes, d’autres font des acrobaties et assènent des postulats pour coller à certains points, mais leurs adhérents sont inattaquables : ils ont réponse à tout puisque leur théorie correspond à la perfection à tout ce qui a été observé jusqu’ici.

Le seul moyen de les distinguer, c’est sur les résultats qu’elles prédisent au sujet d’expériences qui n’ont pas encore été réalisées. La gravitation de Newton, la relativité et la mécanique quantique sont des théories extraordinairement fortes pas parce qu’elles collaient aux mesures, mais parce qu’elles se sont révélées capables de correspondre aux expériences menées pendant des decennies après leur formulation.

En reprenant les théories de tout ci-dessus, certaines jouent le jeu scientifique et sont prêtes à être validées ou invalidées prochainement au CERN ou ailleurs. Celles qui postulent un avant-Big Bang ou des univers parallèles sont invérifiables à très long terme, voire définitivement. D’autres nécessitent l’expérience de la mort pour une ultime vérification, mais au moins on saura (ou pas…).

Mais la palme de la démarche anti scientifique revient probablement plus aux catastrophysiciens qu’aux cré(a)ti(on)nistes : en gros ils exigent de ne surtout pas faire d’expérience qui leur donnerait raison, car elle provoquerait une catastrophe définitive. Et évidemment, ils ne proposent pas d’autre expérience permettant de valider leur théorie sans danger. Ca c’est du courage.

*Note : il y a plusieurs manières de faire. On peut faire un “checksum” genre CRC-32 du compte rendu de leurs expériences, ou faire un très grand nombre binaire en mettant toutes les informations à la suite etc.

C’était la question abordée dans une conférence donnée au CERN récemment par Etienne Klein, et à laquelle il a répondu NON, trop vite à mon goût. Il faut dire qu’Etienne Klein est physicien et philosophe, et que sa conférence mêlait un peu les deux aspects de la question. De plus, le titre de son livre “Le facteur temps ne sonne jamais deux fois” [4] ne laissait que peu de doute sur son opinion sur le sujet. (Je me suis permis d’illustrer cet article avec l’image de la couverture, que je trouve excellente)

Voyage vers le futur

Klein a commencé par introduire deux conceptions philosophiques opposées du temps en physique [1,2,3,5]:

1. le “présentisme”, qui correspond à l’intuition selon laquelle seul l’instant présent “existe” alors que le passé n’existe plus et le futur pas encore.
2. l’ “éternalisme”, ou théorie de l’ “Univers-bloc”, qui considère que tout ce qui existe est déterminé dans un espace comportant le temps comme une 4ème dimension donc que le passé et le futur existent au même titre que le présent, qui n’est que la “tranche” (cônique) d’Univers que nous percevons [1,2,3,6].

J’ai rapidement compris que j’étais éternaliste, et suspecté que Klein était présentiste [1,4] dès qu’il a mis en garde ceux qui voudraient “se téléporter vers le futur, car peut-être qu’il n’existe pas encore”.

Dans son avertissement, c’est surtout le mot “téléporter” qui m’a dérangé : pourquoi le voyage dans le temps supposerait-il une discontinuité, un saut “instantané” qui est par ailleurs interdit dans les déplacements spatiaux ? D’ailleurs même la première “Machine à  Explorer le Temps” imaginée il y a plus d’un siècle par H.G. Wells ne “saute” pas : son passager parcourt le temps en accéléré, en avant ou en arrière.

Or il existe au moins 4 moyens physiquement envisageables pour voyager de manière continue vers le futur:

1. attendre ! En fait, le plus difficile est de ne PAS avancer dans le temps à la vitesse d’une seconde par seconde …
2. L’attente “accélérée” en orbite autour d’une grande masse. Le temps propre (donc le “vieillissement”) d’un voyageur tournant autour d’un astre très massif est ralenti très légèrement, voir beaucoup à proximité d’un trou noir par exemple. C’est prouvé par les satellites GPS entre autres [7].
3. A défaut de trou noir à proximité, le voyage à vitesse relativiste produit le même effet. Il est d’une difficulté technique certaine, mais on sait déjà que ça marcherait : les horloges atomiques des GPS le prouvent aussi [7].
4. L’hibernation. Bon, on ne sait pas (encore) le faire sur des humains, mais des êtres vivants plus simples peuvent sauter un hiver, une saison sèche ou même de nombreuses années pratiquement sans vieillir.

Le problème du voyage dans le temps est donc essentiellement celui du …

Voyage vers le passé

A priori, un “voyage vers le passé” déclencherait toute une série de violations de principes physiques :

1. La conservation de la masse ou de l’énergie : en retournant hier, il y aurait 2 copies de moi, le voyage ajouterait 100 kg à l’Univers…
2. la conservation de l’information : je vais 1h dans le futur lire la fin de cet article sur le web [Ctrl-C] et je reviens le copier là [Ctrl-V] : qui l’a écrit, finalement ? [8]
3. Mais surtout, la violation de la sacro-sainte Causalité, qui introduit tous les paradoxes soulevés dans la science-fiction de bas de gamme : le voyageur de temps qui tue accidentellement sa grand-mère etc.

Etienne Klein place la Causalité en principe absolu de la Physique et de la Logique philosophique. Dès lors, le voyage dans le temps est impossible car l’Univers ne permet pas son viol (celui de la Causalité … ) .

Pourtant, l’éternalisme permet de contourner cette difficulté de plusieurs manières, et je regrette que Klein ne les ait pas abordées dans sa conférence:

1. La “boucle de genre temps“. Géométriquement du moins, on peut dessiner des courbes fermées dans l’espace de Minkowski à 4 dimensions, et conformes à la relativité d’Einstein. Kurt Gödel, le plus extraordinaire mathématicien du XXème siècle a même réussi à faire douter Einstein de la relativité en proposant son “Univers de Gödel“, à la fois relativiste et permettant le voyage dans le temps. Ce sujet est tellement intéressant que je vais lui consacrer un article spécifique, mais à ce stade ce qu’il suffit de savoir c’est qu’une particule qui tournerait en rond sur “boucle de genre temps” ne violerait pas la causalité, tout simplement en n’interagissant pas avec le reste de l’Univers.
2. L’abandon du libre arbitre. Si on admet que l’Univers est un bloc dans lequel le futur existe au même titre que le présent et ne peut pas plus être altéré que le passé, alors le problème ne se pose pas car ni le voyageur, ni aucun être humain ne peut réellement influer sur l’avenir, à plus forte raison modifier le passé. C’est certainement ce qui me dérange le plus dans l’Univers-bloc (mais l’être humain à une tendance naturelle à l’anthropocentrisme, donc à se croire doté de facultés spécifiques comme le libre-arbitre, peut-être qu’un peu de modestie lui ferait du bien). Deux de mes histoires de voyage dans le temps préférées sont liées à cette question:
   1. dans le génialissime film “l’armée des douze singes” (ne lisez pas la suite si vous ne l’avez pas vu…) un voyageur temporel est en fait la cause du problème qu’il était censé résoudre.
   2. une très courte nouvelle lue il y a longtemps et dont je recherche la référence. En deux mots, l’humanité fabrique à grands frais une machine à voyager dans le temps. Un voyageur soigneusement sélectionné est envoyé 1 siècle dans le futur. A son retour (instantané) on lui demande comment c’était. Il dit “je ne sais plus!” On lui demande comment ça se fait. Il dit “je me rappelle qu’on m’a bien accueilli, tout montré et expliqué, et qu’au moment de rentrer on m’a proposé de m’effacer la mémoire…et j’ai dit oui !”

Trous de vers

Comme Klein, je pensais les voyages dans le temps absolument impossibles jusqu’à lecture de “How to build a time machine” de Paul Davies désormais disponible en français [10]. Maintenant je pense qu’ils sont seulement impossibles en pratique, mais que le fait qu’ils ne soient pas absiolument formellement impossibles pour des petites particules dans des conditions très spéciales est intéressant à étudier du point de vue théorique.

C’est pourquoi j’ai été très déçu d’entendre Klein ranger la machine de Paul Davies, basée sur la création puis l’agrandissement d’un “trou de ver” permettant une boucle de genre temps, au rang de machine à générer des ventes pour Science & Vie, alors qu’il a quand même publié dans Pour la Science (Scientific American) !

De plus, cette “machine” répond bien à une objection souvent entendue au sujet du voyage dans le temps et reprise par Etienne Klein : si c’était possible, il devrait y avoir des visiteurs du futur parmi nous, descendant de machines assez spectaculaires pour qu’on les remarque. En fait, les “machines” basées sur les boucles de genre temps dans un univers bloc ne permettent pas de remonter avant leur construction, et même pas de choisir facilement la date d’arrivée. L’idée est que le trou de ver mettrait en “contact” deux points de l’espace, puis l’une des extrémités du trou “vieillirait moins vite” que l’autre grâce à des effets relativistes, disons d’un facteur 100. Ainsi, après la création de la machine, il faudrait attendre 100 ans pour pouvoir revenir de 99 ans vers le passé, un an après la création du trou de ver. Pour voyager vers le futur, la date d’arrivée dépendrait exactement de la date de départ : en partant 2 ans après la construction, on arriverait 200 ans dans le futur, 3 ans – 300 ans etc.

Donc en résumé, j’aurais bien aimé une réponse de scientifique du genre “Non, sauf éventuellement peut-être si …” pour préserver le rêve, alors que le “Non” définitif du philosophe l’a brisé.

Références :

1. “Qu’est-ce que le temps” sur le Journal du Net : dossier très complet
2. “Le temps existe-t-il” sur e-znogood
3. “Le Temps en Physique” sur la Wikipedia
4. Klein, Etienne, “Le facteur temps ne sonne jamais deux fois”, 2007, Flammarion, Paris, ISBN 9782081205802
5. “Philosophie du temps : Eternalisme VS Présentisme” sur nuance blog
6. Michael Esfeld “La philosophie de la nature : La métaphysique de l’univers à quatre dimensions (ch. 13)”, Université de Lausanne
7. “De la relativité au GPS“, Science.gouv.fr
8. Claude Semay, “Peut-on voyager dans le temps ?“, conférence du 18 décembre 2002 à l’université de Mons-Hainaut (Belgique).
9. Chronoscope
10. Paul Davies, “Comment construire une machine à explorer le temps”? 2007, EDP Sciences, ISBN 9782759801855
11. “Le temps, entre réalité et Illusion“, Films tirés des conférences Cyclope du 12 et 19 juin 2006, INSTN de Saclay, dont “Le Temps existe-t-il ?” par Etienne Klein

En répondant à un commentaire sur la Grande Question du Temps, je me suis aperçu que le mètre et la seconde apparaissaient ensemble dans toutes les unités des constantes universelles:

Albert et Max (Einstein et Planck)

Or, comme expliqué dans “Le temps, une 4ème dimension imaginaire“, la relativité d’Albert lie le temps et l’espace par la vitesse de la lumière : actuellement, la définition du mètre est d’ailleurs basée sur celle de la seconde, mais dans cet “espace-temps” (dit de Minkowski) , le temps est une dimension “imaginaire” au sens mathématique du terme :

1 [s] = i. 300′000′000 [m], où i est l’unité imaginaire telle que i²=-1

En introduisant la seconde comme équivalente, à un facteur près, à des mètres imaginaires dans les unités des constantes universelles on obtient :

N’est-ce pas merveilleux ? non seulement la vitesse de la lumière devient une constante purement géométrique, mais les “constantes du vide” retrouvent leur parenté oubliée…

Le plus amusant dans ce petit jeu, c’est de voir ce que devient l’unité d’énergie, le Joule avec cette manipulation :

1 J = 1 kg·m²/s² ≈ -1 kg

L’énergie, c’est une masse négative ! Ah, me direz vous, mais Albert  a dit que E=m.c², donc que (beaucoup) d’énergie était équivalent à (un peu) de masse ! Oui, mais c est proportionnel au nombre imaginaire i, donc c² ≈ i² = -1, donc c’est bien ça : l’énergie correspond à de la masse négative.

Pour demain, démontrez que : E+m = 0, donc qu’avec un peu d’imagination, la somme de tout ce qui existe pourrait être rigoureusement nulle

Références:

1. “analyse dimensionnelle” sur Wikipedia
2. “Unités de Planck” sur Wikipedia

Après Superman, James Bond et Georges W. Bush, de nouveaux super-héros sont en train de sauver le monde de la destruction totale par les méchants.

N’écoutant que leur courage, les Catastrophysiciens Luis Sancho et Walter Wagner ont pointé leur Super-Arme contre les savants fous qui se préparent à donner la Terre à avaler au micro trou noir qu’ils vont produire avec le LHC du CERN.

A l’appui de leur théorie, les amis de Catastrophysiciens citent une référence de poids : Nostradamus! Voici le quatrain qui annonce la catastrophe :

Migrés, migrés de Geneue trestous,
Saturne d’or en fer se changera,
Le contre Raypoz exteriminera tous,
Auvant l’aruent le ciel signes fera.

En clair ça donne : Fuyez, fuyez tous de Genève, Saturne se changera d’un truc qui brille en truc qui brille pas et les rayons positifs contraires extermineront tout le monde, mais avant, le ciel deviendra tout rouge par Effet Doppler. (Je suis pas mauvais en interprétation de Nostradamus, je trouve… )

Notez comme l’énigmatique mot “Raypoz” de la prédiction trouve tout son sens avec les faisceaux de protons. D’ailleurs, il y a un même un petit dessin prophétique qui confirme cette interprétation :

(détail d’une illustration du “Vaticinia Nostradami“, le “livre perdu de Nostradamus”. Cliquer dessus pour le dessin complet)

On voit bien les deux poissons (Nostradamus ne savait pas bien dessiner les protons…) qui se croisent en sens inverse, lançés avec un arc à supraconducteur, et le trou dans le sol creusé par le micro trou noir qui descend au centre de la Terre, d’où il absorbera tout, comme dans ce joli film :

Tout est limpide n’est ce pas ? Sauf que d’après le texte on peut s’en tirer en fuyant Genève, ce qui fait que d’autres voient plutôt une annonce d’ attaque terroriste nucléaire sur Genève d’après le même texte…

Concrètement donc, des juges américains ont considéré comme recevable la plainte de Luis Sancho et Walter Wagner, et assigné le FermiLab partenaire du CERN en justice.  Les physiciens du monde entier vont devoir probablement prouver que leurs expériences au LHC sont sans danger, alors que c’est justement le but du LHC de valider scientifiquement les prédictions de la théorie du “modèle standard” et/ou de ses diverses ramifications.

Et les super-héros qui reçoivent une publicité mondiale, que risquent-ils, eux ? A mon avis, on ne devrait que les obliger à avoir le même courage que Paco Rabanne, qui s’était engagé à ne plus faire de prédictions si la station Mir ne tombait pas sur Paris en 1999 comme l’avait prédit Nostradamus (déjà…). Il s’est confondu en excuses et ne la ramène plus.

Dès que l’on parle du Big Bang à l’origine de l’Univers, la première question qui se pose est “qu’y avait-il avant ?”. C’est la Grande Question du Temps. La réponse de la physique actuelle est “la question n’a pas de sens”. Dans cet article, je vais tenter de montrer que ce n’est de loin pas une façon de contourner la difficulté de la question.

Introduction

Commençons par un sujet qui peut paraitre éloigné. Notre intuition en regardant un thermomètre est qu’il peut toujours faire plus froid : 20°C, 0°, -20°, -100°, -300°C … Et bien non. Il ne peut pas faire -300°C, parce que la température est en fait une mesure de l’agitation des molécules, et qu’à une certaine température appelée “zéro absolu” (-273.15°C), les molécules ou atomes ne bougent absolument plus du tout. Une fois qu’on a compris que la température mesure en fait une sorte de vitesse, il devient évident qu’il ne peut pas faire plus froid que le zéro absolu.

En serait-il de même avec le temps ? Si le temps que l’on mesure en secondes était en fait relié à une autre notion qui aurait un “zéro absolu” au moment du Big Bang, la question de savoir ce qu’il y avait “avant” n’aurait effectivement pas de sens.

La 4ème dimension

Selon Einstein, le temps est une quatrième dimension liée aux dimensions spatiales par la vitesse de la lumière. Si on admet qu’à l’instant du Big Bang, l’Univers était un point de dimensions spatiales nulles, le temps était aussi au “Temps zéro”  absolu. Autrement dit, si on mesure le temps non pas en secondes, mais en se basant sur le rayon de l’Univers observable qui augmente depuis le BigBang, il devient clair qu’à un moment l’univers avait un rayon de 1 mètre (à 10^-32 secondes), mais que se demander quand il avait un rayon de -1m n’a pas de sens.

fig. 1 : relation entre la taille de l’Univers observable et son âge

La mesure du temps

Nous allons nous intéresser à la mesure du temps, en commençant par son unité : la seconde. A quoi correspond-elle physiquement ? Jusqu’en 1956, c’était un 60ème de 60ème de 24ème de jour terrestre. Puis on s’est aperçus que la Terre ralentissait, alors c’est devenu ¹/_{31 556 925,9747} d’année. Mais alors que valait une seconde avant que le Système Solaire n’existe, il y a 4 milliards d’années ? Heureusement, en 1967 on a défini la seconde comme “la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les niveaux hyperfins F=3 et F=4 de l’état fondamental 6S½ de l’atome de césium 133 à 0°K” . C’est mieux, ça sonne bien physique. Mais il n’existe pas d’atomes de césium à 0°K dans la nature, et d’ailleurs les premiers atomes sont apparus 300′000 “ans” après le Big Bang, et le césium plutôt après 1′000′000′000 d’années, avec les premières étoiles. Avec quelle horloge pouvait-on mesurer le temps avant ? Ou autrement dit, comment savoir si les secondes du début de l’Univers avaient la même durée que les secondes actuelles ?

fig 2 : Histoire “microscopique” de l’Univers (voir la “macroscopique” ici)

Le Grand Métronome Absolu

Dans la purée de particules et de rayonnements qui composaient l’Univers pendant la première “minute” après le Big Bang, il n’existait aucun moyen de mesurer le temps. Aucun système oscillant de façon stable en conservant de l’énergie, sauf peut-être des photons dont la fréquence variait rapidement avec la dilatation de l’Univers, à condition qu’ils aient la chance de parcourir plus d’une longeur d’onde avant de heurter une autre particule. Pendant une minute, l’Univers a entièrement été gouverné par le Hasard Quantique. Même Dieu n’aurait pas pu chronométrer une seconde de cette minute là.

Et encore avant celà, avant l’inflation et pire encore avant le Temps de Planck à 10^-44 secondes, on a strictement aucune idée de ce que contenait l’Univers à part de “l’énergie pure”.

On a donc un gros problème : le Big Bang est décrit en utilisant la notion actuelle de “seconde”, mais on n’a peut être pas le droit de le faire car il n’existe pas de “Grand Métronome Absolu”.

Temps et Énergie

Cependant, il existe un point commun entre toutes les mesures passées et actuelles du temps, c’est l’énergie : toutes les horloges sont basées sur une oscillation périodique d’un système contenant de l’énergie. Que ce soit la rotation de la Terre, le mouvement d’un balancier muni d’un ressort spiral ou la fréquence d’un rayonnement électromagnétique, notre mesure du temps est étroitement liée à la notion d’énergie.

La théorie du Big Bang lie étroitement le temps et l’énergie au “début” de l’Univers, comme on le voit sur la fig.2. Les particules sont apparues à 10^-10 s, quand leur énergie correspondait à 10² Giga electronVolt (GeV). Puis elles se sont agglomérées en atomes à 10¹³ secondes, quand leur énergie a baissé à 10^-11 GeV, et actuellement il est exactement  2,3.10^-13 GeV après le Big Bang.

Chaud le Big Bang, chaud !

Comme on l’a vu dans l’introduction, la température est une mesure de l’énergie des particules, et ceci permet de graduer l’âge de l’Univers avec un thermomètre. Actuellement, il est 2,7 °K d’après le rayonnement du fond du ciel, mais il était 15°K quand les étoiles et galaxies se sont formées et 10¹⁵°K  au moment de la formation des particules.

Notez le retournement de situation avec cette façon de mesurer le temps : le Big Bang n’a pas lieu au “temps zéro”, mais à “énergie infinie”. Et contrairement au froid qui admet un “zéro absolu”, il n’y a en principe pas de limite supérieure à la température. En mesurant le temps par l’énergie ou la température, poser la question “Qu’y avait-il avant ?” n’a plus de sens car le Big Bang est repoussé à l’infini de notre nouvelle échelle du temps : on peut toujours imaginer un Univers encore plus petit, encore plus dense et encore plus chaud.

Conclusion

L’idée selon laquelle le Big Bang a eu lieu à un “instant” précis est le résultat de notre mesure du temps par des “secondes”. Mais comme l’Univers n’a pas de “Grand Métronome Absolu”, on doit se résoudre à utiliser l’énergie ou la température pour graduer le temps de façon cohérente. Tout ce que l’on peut dire alors, c’est que l’Univers est en refroidissement perpétuel, sans que ça suppose l’existence d’un “début”. Mesuré avec un thermomètre, le temps est continu de plus l’infini jusqu’au zéro absolu, qui aura lieu dans une infinité de secondes. Le Big Bang n’est pas un événement remarquable, avec un “avant” et un “après”. Avec les bonnes unités, c’est une asymptote à l’infini dans le passé.

Sources:

1. “seconde” sur Wikipedia
2. “Big Bang” sur Wikipedia
3. Etienne Klein, “Le temps de la physique“, dans “Dictionnaire de l’ignorance” , Albin Michel, 1998
4. “The Observable Universe“

Si vous comprenez le très bon anglais, regardez l’excellente présentation de Brian Cox au TED. Ce jeune et enthousiaste physicien du CERN présente le LHC du CERN dans le contexte des interrogations actuelles en physique. A un moment, il montre cette image de nos connaissances actuelles de l’histoire de l’Univers:

(cliquez dessus pour accéder au site d’origine, où l’image est disponible en diverses tailles)

Cette figure montre le BigBang à gauche, il y a 13.7 milliards d’années, la phase “inflatoire” où il a gonflé exponentiellement en 380′000 ans, avant que la purée de matière ne s’agglomère par gravitation pour former les étoiles (les premières 400 millions d’années après le Big Bang seulement), les galaxies, amas et superamas qui constituent l’univers actuel.

Le satellite représenté à gauche, c’est WMAP (“Wilkinson Microwave Anisotropy Probe”) qui a mesuré la densité de la purée de matière telle qu’elle était 380′000 ans après le Big Bang, à la fin de l’inflation. C’est l’image la plus ancienne de l’Univers que l’on puisse obtenir par l’astronomie, on en voit un bout sur la tranche d’Univers la plus à gauche ci-dessus, mais la voici au complet, correspondant à la voute céleste complète :

Cette image montre qu’il y avait déjà des grumeaux dans la purée, mais sans structure claire : le Big Bang a “pété droit”, mais des phénomènes survenus immédiatement ensuite ont créé une légère anisotropie.

“Comment ?”, c’est l’une des questions que le LHC va contribuer à résoudre, une autre étant la raison de l’accélération de l’expension de l’univers, aussi représentée sur la première figure. WMAP et d’autres mesures montrent que de “l’énergie sombre” fait que les Galaxies se repoussent. C’est comme si la constante de la gravitation universelle variait : l’attraction faiblit au fur et à mesure que l’Univers vieillit. Tout ça devrait être éclairci très bientôt par mes voisins, au CERN.

La théorie de la relativité n’est pas très simple, mais on peut parvenir à en saisir quelques notions avec un peu d’imagination et de curiosité. La mécanique quantique est beaucoup moins abordable car elle choque beaucoup plus notre compréhension intuitive du monde. Alors que dire de la “théorie des cordes” (string theory), censée lier l’infiniment grand et l’infiniment petit dans un univers à 10 dimensions légèrement plus tordues que les 4 d’Einstein…

Il existe l’ “Univers Elegant”, une série de vidéos très bien faites sur ce sujet, mais en anglais et durant 3h au total.

Les idées de base ont cependant été résumées dans un excellent petit reportage de 10 minutes, en français :

Ne manquez pas l’explication sur les petites dimensions recourbées sur elles-mêmes à 3.44 minutes. C’est génial. Et attachez vos ceintures pour la fin :

Tout ça est bien joli sous forme de théorie, mais pour la valider, il faudrait que la théorie des cordes puisse faire des prévisions que l’on puisse vérifier expérimentalement. Or Brian Greene, un des physiciens soutenant la théorie des cordes vient de faire au TED une présentation de 20 minutes (en anglais…) recouvrant bien le reportage ci-dessus, mais dans les 4 dernières minutes, il parle d’une vérification expérimentale possible au LHC du CERN, très bientôt :

Selon lui, l’énergie totale des particules résultant d’une collision sera inférieure à l’énergie totale des protons au moment de la collision. Cette violation du principe de conservation de l’énergie ne pourra s’expliquer que si des particules “débris” sont éjectées dans les dimensions bouclées d’où elles ne peuvent pas ressortir vers les capteurs. Pour en savoir plus, les courageux peuvent lire “Testing Times for Strings” par dans le CERN Courrier de Juillet 2003.

Wow ! je vais peut-être être juste à côté de la première violation d’une loi fondamentale de la physique depuis le Big Bang !

]]> http://drgoulu.com/2008/05/16/les-puissances-de-dix/ Fri, 16 May 2008 06:45:49 +0000 Dr. Goulu http://drgoulu.com/2008/05/16/les-puissances-de-dix/

Retrouvé par hasard ce film réalisé en 1968 (40 ans…) par les designers Ray et Charles Eames pour le compte d’IBM. Le commentaire est un peu “années 60″, mais ce film m’émerveille toujours autant.

A remarquer que le voyage vers “le grand” s’achève à 10²⁶ m soit 100 millions d’années lumières. Aujourd’hui on irait probablement jusqu’à 10²⁸ puisque les instruments modernes sont capables de voir des objets distants de 5 milliards d’années lumière, et que l’on commence à avoir une idée de la structure de l’univers à 10 milliards d’années lumière. Vers le petit, on estime que la taille des électrons est de l’ordre de 10^-17 m et celle des quarks qui composent les protons et neutrons de 10^-18 m, soit également deux ordres de grandeur de plus (en moins…) que dans le film.

Autrement dit, en 40 ans notre connaissance de l’Univers s’est élargie sur 4 ordres de grandeur, soit un ordre de grandeur par 10 ans. En 1850, on connaissait les microbes (10^-6) et le système solaire (10¹³), soit 19 ordres de grandeur, alors que nous en connaissons 44, soit 25 de plus 160 ans plus tard.

Vers le grand, on a pratiquement atteint la limite : l’Univers observable correspond à l’âge du Big Bang, on ne pourra que spéculer à coups de modèles théoriques sur des structures hypohétiquement encore plus grandes. Vers le petit par contre, on est encore assez loin de la Longueur de Planck de l’ordre de 10^-35 , une valeur elle aussi assez théorique pour l’instant mais qui pourrait signifier que rien de plus petit ne peut exister. Il va falloir vérifier.

]]> http://drgoulu.com/2008/04/17/on-va-tous-mourir/ Thu, 17 Apr 2008 16:38:18 +0000 Dr. Goulu http://drgoulu.com/2008/04/17/on-va-tous-mourir/

Intéressant de voir comme le catastrophisme attire. Des films holywoodiens aux sectes apocalyptiques, la recette de la fin du monde a toujours du succès.

Après la guerre nucléaire totale, l’énorme météore qui frappe la Terre, le Déluge suite à la fonte des glaces de l’Antarctique, les virus ebola croisés avec la grippe aviaire voire le Soleil qui s’éteint et bien d’autres, voici le petit dernier à la mode : l’annihilation de la planète suite à la mise en service du LHC au CERN !

Au début j’ai cru à un gag, puis à un moyen tordu de faire parler de soi, mais la plainte de Luis Sancho et Walter L. Wagner visant à empêcher la mise en service du nouvel accélérateur de particules se révèle être la pointe de l’iceberg. Il y a apparemment des gens qui ont vraiment peur que la collision de deux protons à haute énergie cause la Fin du Monde !

Si vous voulez vous préparer au pire, le site des plaignants vous dirigera vers d’autres, comme:

• une véritable caricature de pensée de cow-boy intitulée “La France construit la machine de la Fin du Monde” dans laquelle, en plus, le CERN est soupçonné de produire assez d’antimatière pour détruire les environs (pas grave), mais surtout qu’elle pourrait être utilisée par des terroristes ! Et les commentaires sont du même niveau : lamentables.
• Unfication Theory propose un pavé indigeste démontrant que les gens du CERN ne connaissent rien à la physique et vont détruire le joli monde créé par Dieu Tout Puissant.
• le site notepad.ch (suisse!), dont l’auteur reprend par cut & paste des infos glanées sur le web et se fend même d’un commentaire sur mon article consacré au LHC

J’aurais du respect pour Luis Sancho, Walter L. Wagner et les courageux anonymes éditant les sites mentionnés plus haut s’ils imitaient Paco Rabanne, qui avait promis qu’il ne ferait plus de prédiction si la Station Mir ne s’écrasait pas sur Paris le 11 août 1999. Depuis, on est tranquilles.

De mon côté, je m’engage à ne plus jamais parler de physique si le LHC absorbe la Terre dans un trou noir…

A noter un site beaucoup plus sérieux, celui de la lifeboat fundation, qui étudie scientifiquement les risques menaçant l’humanité et de proposer des “shields”, des protections. Leur page sur le LHC contient des informations et des liens très intéressants comme :

• les vidéos officielles expliquant le fonctionnement d’ATLAS sur YouTube
• des panorama du détecteur ATLAS en construction
• la belle image ci-dessus, représentant la simulation de ce qu’ATLAS devrait détecter : la création d’un boson de Higgs à partir de l’énergie pure créée par le choc de deux protons.

“Si je suis dans une réalité virtuelle, les graphismes sont superbes, mais l’intrigue craint un max.” Etudiant du Professeur Brian Whitworth

25 janvier 2008 à Auckland, Nouvelle-Zélande

Un professeur à publié en décembre un document qui pose sérieusement la question: pouvons-nous être dans un monde de réalité virtuelle produite par une intelligence supérieure où l’ordinateur en coulisse fonctionne à une vitesse de traitement de 186 282,397 miles par seconde – la vitesse maximale de la lumière?

Le professeur est Brian Whitworth, Docteur en Systèmes d’Information et maintenant Maître de conférences à l’Institut de l’information et des sciences mathématiques à l’université Massey à Auckland.

Dans son article, il cite un livre intitulé « 2005, The World’s 20 Greatest Unsolved Problems » (2005, les 20 plus grands problèmes irrésolus du monde) édité par John Vacca: “les physiciens qui travaillent tous les jours avec la théorie quantique ne savent pas vraiment tout à fait ce qu’il faut en faire. Ils remplissent des tableaux noirs avec des calculs quantiques, et sont d’accord sur le fait qu’il s’agisse sans doute de la théorie prédictive scientifique la plus puissante, précise et jamais mis au point, mais l’idée même qu’il pourrait s’agir d’une résultance de la nature est toujours accueillie avec cynisme, incompréhension et même de la colère. “

Le Professeur Whitworth a pour but de fournir un autre modèle qui permettrait aux cosmologistes d’appréhender notre univers d’une manière moins figée par les paradoxes, en essayant d’aborder l’univers de manière objective dans lequel tous les éléments créateurs de l’univers est défini par la mécanique quantique.

Le Professeur Whitworth a travaillé pendant des décennies dans le domaine des mathématiques et des systèmes d’information et trouve de nombreuses analogies dans le monde informatique et la mécanique quantique pour expliquer comment cet univers fonctionne réellement.

Interview du professeur Whitworth ici (en anglais) – Source Esonews.

Le 6 novembre, Anthony Garret Lisi, un surfeur et physicien, vient de découvrir “Une théorie du tout exceptionnellement simple“.

Poster sur le serveur ArXiv.org, son document de 31 pages à attirer des nombreuses polémique, a t-il vraiment raison ou n’est ce seulement quelque chose de déjà vus ?

Article sur LeMonde

transversales.org

Le PDF posté par Lisi

Alors, qu’en dites vous

Quantique et impatience:

Selon le principe de la quantique (voir l’expérience du chat de Shrödinger) : une particule est à la fois désintégrée et intacte tant qu’elle n’est pas observée, seule l’observation décide de l’un des deux états (version très simplifiée, parce que moi-même je comprends à peine).
Appliquons cette théorie à, par exemple, l’attente d’un mail sur msn:
-hypothèse 1: j’attends connectée l’arrivée du mail (pendant trois jours, ça peut paraître long): dans ce cas, je sais en permanence qu’il n’est pas arrivé.
-hypothèse 2: j’attends déconnectée, ainsi, tant que je ne vois pas la boite mail, il y a autant de chances que je l’ai reçu ou non.
Conséquence: je suis pleine d’espoir, et donc de déception ensuite, constatant qu’il n’est pas arrivé.
La même chose peut s’appliquer à l’attente d’un colis, ou de n’importe quoi…
Après il faut savoir si l’on préfère l’espoir puis la déception ou la connaissance de son malheur.
Bref, je trouve intéressant de voir comment on fonctionne.