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Quantiquement relatif ou relativement quantique?

Modèle de dimensions supplémentaires compactifiées de la théorie des cordes
Modèle de dimensions supplémentaires compactifiées de la théorie des cordes

La physique, par définition, est l’étude de la nature et de son comportement. Depuis des lustres, les Hommes de science ont observé des phénomènes naturels et ont développé des modèles théoriques qui tentent de rendre justice aux observations, mais aussi de prédire d’autres observations possibles. Par exemple, les Égyptiens ont vu que le Soleil se déplaçait dans le ciel au fil de la journée et pour expliquer ce phénomène, ils ont imaginé le dieu Râ qui tire le soleil à travers le firmament avec son chariot. Bien sûr, il est très difficile de voir les prédictions de ce modèle, mais il est un excellent point de départ vers la création de modèles théoriques solides. Et ainsi de suite, de modèle en modèle, les observations se sont vues décrites de plus en plus précisément et ces modèles proposaient une quantité croissante de prédictions observables qui pourraient valider la justesse du modèle. De même, les scientifiques préféreront toujours un modèle qui contient moins de variables et qui est plus simple.

Un exemple flagrant est le combat entre le modèle héliocentrique et le modèle géocentrique. Le premier a été proposé par Nicolas Copernic au XVIe siècle. Il plaçait le soleil au centre du système solaire et tous les autres astres tournaient autour de lui. Le deuxième modèle, le géocentrisme, était le favori de l’église, donc de la majorité de la population, considérant la grande importance du clergé à l’époque ceci n’est pas surprenant. Cependant, le modèle géocentrique commençait à poser des problèmes. En effet, avec les techniques d’observation du ciel qui devenaient de plus en plus précises, le modèle géocentrique devait s’adapter pour continuer de rendre compte des observations faites. Donc, ses partisans ont dû ajouter des épicycles (une orbite qui a pour centre un point situé sur une autre orbite plus grande) à toutes les orbites de leur modèle pour expliquer la différence de distances relatives entre un astre et la Terre. Ce modèle devenait de plus en plus lourd et même s’il rendait compte des observations, il a finalement été rejeté au profit du modèle beaucoup plus simple et précis de Copernic.

La façon intuitive de rendre notre modèle actuel de la réalité physique plus simple et élégant est d’unifier des choses qui ne semblent avoir aucun lien apparent. James Clerk Maxwell a fait le premier pas dans cette direction avec son unification de la force électrique et de la force magnétique en une seule et même force, la force électromagnétique. Cet exploit mathématique qui décrit tous les aspects de la force électromagnétique en seulement quatre équations a ouvert la voie vers une grande théorie de l’unification qui expliquerait les quatre forces fondamentales, soit la gravité, l’électromagnétisme, l’interaction faible et l’interaction forte. Beaucoup de physiciens ont tenté de réussir ce tour de force. Albert Einstein, connu pour sa théorie de la relativité générale, a essayé d’unifier l’électromagnétisme avec la gravité durant les dernières années de sa vie. Cependant, son grand intellect était embrumé par un entêtement à conserver le classicisme de la physique. Il ne voulait pas se ranger du côté de la mécanique quantique, qui offre un modèle pour le comportement des particules subatomiques qui est beaucoup plus puissant et précis. C’est pourquoi il a échoué sa tentative d’unification. Après que la révolution quantique soit passée et que les physiciens aient commencé à mieux comprendre et accepter les bizarreries qui en ressortent, le vrai travail d’unification commença.

Le modèle standard, le modèle qui décrit la matière et les forces fondamentales, exceptée la gravité, permet d’unifier l’électromagnétisme et les deux interactions nucléaires grâce au mécanisme de Higgs. Peter Higgs, un physicien anglais, proposa une méthode par laquelle les particules élémentaires gagnent leur masse. Cette méthode consiste en un champ qui s’étend partout dans l’Univers, le champ de Higgs, et qui interagit avec toutes les sortes de particules. Lorsque le champ de Higgs interagit avec une particule, ils échangent un boson de Higgs. Lorsque ce boson arrive à la particule, il lui transfère toute son énergie, qui est ensuite transformée en masse, comme le dit la célèbre équation d’Einstein, E=MC^2 (l’énergie est égale à la masse fois la vitesse de la lumière au carré). L’unification des trois forces mentionnées plus haut se fait d’une manière similaire. Au début de l’Univers, peu après le Big Bang, la température était extrêmement élevée et les trois forces étaient réunies en une seule force. Après que l’Univers se soit assez répandu pour diminuer la température ambiante, atteignant un premier plateau, le mécanisme de Higgs se met en marche et interagit avec le boson qui transporte la force unifiée. Par cette interaction, le boson gagne de la masse et ce gain brise la symétrie présente entre les trois forces, résultant en une séparation de l’interaction nucléaire forte des deux autres. Plus le temps avance, plus la température de l’Univers descend et le mécanisme de Higgs finit par être activé de nouveau puisqu’il atteint un second plateau. Cette fois aussi, le boson de l’interaction électrofaible, comme l’appellent les physiciens (cette interaction contient l’interaction nucléaire faible et l’électromagnétisme) gagne de la masse par l’échange d’un boson de Higgs. Cette fois, le gain brise la symétrie entre les deux forces en présence, ce qui sépare l’interaction nucléaire faible de l’électromagnétisme.

Plusieurs théories unificatrices tentent d’inclure la gravité à ce modèle, mais les tentatives se dirigent dans la mauvaise direction. L’électromagnétisme échange des photons (qui sont aussi les particules de la lumière), l’interaction nucléaire faible est associée aux bosons W et Z et l’interaction nucléaire forte, au gluon. La gravité, selon ces théories, aurait le graviton. Le graviton est une bonne idée pour décrire la gravité dans des situations plutôt normales, comme la Terre qui attire la Lune ou une pomme qui tombe d’un arbre. Par contre, il pose un important problème lorsque les trous noirs sont considérés. Les trous noirs sont une des conséquences de la relativité générale. Ils se produisent quand une étoile qui a une masse de plus de deux fois celle du Soleil atteint la fin de sa vie et qu’elle ne produit plus assez d’énergie pour repousser sa propre gravité. Alors elle implose en créant une sorte de bulle autour d’elle. Cette bulle délimite une portion de l’Univers qui est complètement coupée du reste. Ce qui veut dire qu’aucune information contenue dans la bulle ne peut en sortir et toute information entrant dans la bulle est perdue. Ainsi, la masse du trou noir, qui est contenue à l’intérieur de la bulle ne pourrait envoyer de graviton vers l’extérieur pour agir sur un autre objet. En fait, Stephen Hawking a prouvé qu’il pouvait bel et bien y avoir de l’information qui quitte un trou noir par un effet tunnel, une conséquence de la mécanique quantique qui permet à une particule de traverser un mur par exemple. Cependant, ce processus prend place sur une grande période de temps et ne pourrait pas fournir assez de gravitons pour rendre compte de l’énorme force d’attraction du trou noir. Donc, il est clair que considérer la gravité comme ayant la même structure que les autres forces est une erreur, puisqu’aucune particule ne peut transporter la gravité à travers le trou noir.

Le but de cet article est de présenter une nouvelle façon d’inclure la gravité à ce modèle, non pas en l’ajoutant au même titre que les autres forces, mais en la définissant comme étant l’entité d’où vient les forces. Selon moi, la gravité prend ici la forme de la caractéristique première de l’espace-temps; ce qui définit sa géométrie. Einstein, avec sa relativité générale, a démontré que la gravité peut se traduire comme une courbure de l’espace-temps. Plus la gravité est intense, plus la courbure est grande. La théorie des cordes, un modèle théorique tentant une unification de toute les forces, contient des objets appelés membrane ou « D-Brane ». Les D-Branes sont des objets qui peuvent avoir autant de dimensions que voulu. Par exemple, une particule ponctuelle, qui est un point sur l’espace-temps, est une 0-Brane. Une droite est une 1-Brane, un plan une 2-Brane et ainsi de suite. L’espace-temps à quatre dimensions (trois d’espace et une de temps) peut être vu comme une 4-Brane qui s’étend sur la totalité de l’univers. Les différentes théories des cordes disent que les forces élémentaires ( la gravité, l’électromagnétisme et les interactions nucléaires fortes et faibles) peuvent être vues comme des dimensions supplémentaires qui s’ajoutent aux quatre déjà présentes de l’espace-temps.

Dans cette optique et en considérant le mécanisme de Higgs expliqué plus haut, une origine possible de ces dimensions supplémentaires, et par conséquent des forces élémentaires, est une interaction entre le champ de Higgs et l’espace-temps. Cette nouvelle vision amène une expérience de pensée qui représente bien l’essence de l’idée. Imaginez une D-Brane qui est l’espace-temps. Cependant, le nombre de dimensions nécessaires n’est pas quatre, comme dans la vision einsteinienne du monde, mais bien cinq. Les cinq dimensions sont classées comme ceci: quatre d’entre elles sont les dimensions de l’espace-temps courbe de la relativité générale, l’autre est la dimension porteuse du champ de Higgs (même si le champ de Higgs n’est pas une force en tant que tel, il est tout de même considéré comme une dimension supplémentaire de l’espace-temps). Cette expérience de pensée débute avant le Big Bang, où tout le potentiel de matière est concentré en un seul point. Ensuite, le Big Bang se produit, ce qui entraîne une période d’agrandissement intense, appelée inflation. Au début de l’inflation, la température ambiante est à son maximum. Plus le temps avance, plus la température diminue. Cette diminution de la concentration en énergie de l’univers change la géométrie de l’espace-temps. Ce changement ajoute une dimension à la D-Brane de l’univers, permettant aux cordes, qui forment tout ce qui est contenu dans l’univers, de vibrer dans une “direction” de plus. Cette vibration de plus donne naissance au gluon et entraîne pour la première fois le mécanisme de Higgs, qui donne une masse aux gluons. Ensuite, la température diminuant toujours, ce processus se répète pour créer la dimension de l’interaction nucléaire faible. Le mécanisme de Higgs s’active pour la deuxième fois et les bosons W et Z reçoivent leur masse respective. Lorsque la température est rendue inférieure à celle requise pour la formation des bosons W et Z, la géométrie continue de changer pour former la dimension de l’électromagnétisme. Cependant, le champs de Higgs n’interagit pas avec les photons, qui sont sans masse. La masse des photons mesurée dans les expériences vient de l’équivalence entre l’énergie et la masse, mise en évidence par Einstein.

Par Simon Beauregard