“La Formule de Dieu” : Théories de la relativité et quantique

La recherche de la théorie du tout a commencé avec la théorie de la relativité.

Jusqu’à Einstein, la physique reposait sur le travail de Newton, qui rendait parfaitement compte du fonctionnement mécanique de l’univers tel qu’il est perçu par les êtres humains.

Il y avait deux problèmes liés à la lumière qu’on ne parvenait pas à résoudre :

• Pourquoi un objet soumis à la chaleur émet de la lumière ?
• Pourquoi la valeur de la vitesse de la lumière est constante ?

Einstein exposa en 1905 sa théorie de la relativité restreinte, dans laquelle il établit un lien entre l’espace et le temps, en disant qu’ils sont tous les deux relatifs. Par exemple, le temps change parce qu’il y a un mouvement dans l’espace. L’unique chose qui n’est pas relative, mais absolue, c’est la vitesse de la lumière. Il a découvert qu’à des vitesses assez proches de la lumière, le temps ralentit et les distances
se contractent.

Si tout est relatif, excepté la vitesse de la lumière, la masse et l’énergie sont relatives ? E = mc2 – L’énergie est égale à la masse multipliée par la vitesse de la lumière au carré.

La vitesse de la lumière est énorme. Le carré de la vitesse de la lumière est un nombre si élevé qu’il implique qu’une minuscule portion de la masse contienne une terrible quantité d’énergie.

Par exemple, vous, vous pesez dans les 24 kilos ? Cela signifie que votre corps contient assez de matière chargée d’énergie pour fournir en électricité une petite ville pendant tout une semaine. L’unique difficulté, c’est de transformer cette matière en énergie.

Comme l’énergie et la masse sont les deux faces d’une même médaille, cela signifie qu’une chose peut se transformer en l’autre, autrement dit, on peut convertir l’énergie en matière ou la matière en énergie.

Par exemple, si un objet se rapproche de la vitesse de la lumière, le temps se contracte et sa masse augmente. Dans cette situation, l’énergie du mouvement se change en masse.

Dans l’accélérateur de particules du CERN, en Suisse, Les électrons ont été soumis à une telle vitesse d’accélération que leur masse a augmenté quarante mille fois. Les chocs des protons a même laissé des traces sur les photos.

Aucun objet ne peut atteindre la vitesse de la lumière. S’il le faisait, sa masse augmenterait infiniment, ce qui requérait une énergie infinie pour mettre cet objet en mouvement.
C’est pourquoi on dit que la vitesse de la lumière est la vitesse limite de l’univers. Rien ne peut l’égaler, car, si un corps l’égalait, sa masse se multiplierait à l’infini.

De quoi est faite la lumière ? De particules appelées photons. Les photons sont des particules sans masse, ils se trouvent à l’état d’énergie pure et ne subissent pas le passage du temps. Comme ils se
meuvent à la vitesse de la lumière, pour eux l’univers est intemporel. Du point de vue des photons, l’univers naît, croît et meurt dans le même instant.

Théorie de la relativité générale de 1915

En 1905, Einstein présenta sa théorie de la relativité restreinte, où il explique une série de phénomènes physiques, mais pas la gravité. Le problème est que la relativité restreinte remettait en cause la description classique de la gravité. Newton croyait qu’une altération soudaine de la masse impliquait une altération tout aussi soudaine de la force de gravité. Mais c’est impossible, car cela supposerait qu’il existe quelque chose de plus rapide que la vitesse de la lumière.

Imaginons que le soleil explose à cet instant précis. La relativité restreinte prévoit qu’un tel événement ne sera perçu sur terre que 8 minutes après, c’est-à-dire le temps que la lumière franchisse la distance entre le soleil et la terre. Newton, lui, croyait que l’effet serait concomitant. Au moment précis où le soleil exploserait, la terre en subirait l’impact. Or ceci est impossible, puisque rien ne se déplace plus vite que la lumière.

Pour apporter une solution à ce problème et à d’autres, Einstein a exposé en 1915 sa théorie de la relativité générale, qui a résolu la question de la gravité en établissant que l’espace était courbe. Plus un objet a de masse, plus l’espace qui l’entoure est courbe et, par conséquent, plus la force de gravité qu’il exerce est grande.

Par exemple, le soleil exerce plus de force de gravité sur un objet que la terre, de par sa masse importante.

Supposons que l’espace soit un drap étendu dans l’air entre 2 personnes. Imaginons qu’un ballon de foot soit posé au centre. Que se passe-t-il ? Le drap se courbe autour du ballon. Si on lance une bille sur le drap, elle va être attirée par le ballon de foot. La même chose se passe dans l’univers.

Le soleil est si grand qu’il courbe l’espace autour de lui. Si un objet extérieur s’en approche lentement, il se heurtera au soleil. Si un objet s’en approche à une certaine vitesse, comme la terre, il se mettra à tourner autour du soleil, sans buter dessus ni s’en éloigner. Et si un objet se déplace à très grande vitesse, comme un photon de lumière, sa trajectoire à l’approche du soleil se courbera légèrement mais il réussira à s’éloigner et à poursuivre sa route.

Tous les objets distordent l’espace autour d’eux. Comme l’espace et le temps sont deux faces d’une même médaille, un peu comme l’énergie et la matière, cela signifie que les objets distordent aussi le temps. Plus un objet aura de masse, plus le temps sera lent près de lui.

Qu’est-ce que la Théorie Quantique ?

La physique de Newton est valable pour expliquer notre monde quotidien. Quand ils construisent des ponts ou qu’ils mettent un satellite en orbite autour de la terre, les ingénieurs recourent à la physique de Newton et de Maxwell.

Les limites de cette physique classique n’apparaissent que lorsqu’on se penche sur des aspects qui ne font pas partie de notre expérience commune, comme par exemple les vitesses extrêmes ou l’univers des particules. Pour traiter du problème des grandes masses et des grandes vitesses, on se réfère aux deux théories de la relativité conçues par Einstein. Et, pour étudier le monde des particules, c’est la théorie quantique.

Einstein admettait que les théories de la relativité furent conçues selon le principe que l’univers était déterministe. Mais les choses se compliquèrent quand apparut la théorie quantique, qui instaura une vision indéterministe dans le monde des atomes.

La théorie quantique est née en 1900, lors d’une séance de travail de Max Planck sur la lumière émise par les corps chauds. Elle a été ensuite développée par Niels Bohr, qui a conçu le modèle théorique des atomes le plus connu, celui où les électrons gravitent autour du noyau de la même façon que les planètes tournent autour du soleil.

Le monde des microparticules et manifestations macroscopiques

Saut quantique ou les compartiments excentriques des particules ? Certains physiciens sont arrivés à la conclusion que les particules subatomiques peuvent quitter un état d’énergie A pour un état d’énergie B, sans passer par une transition entre les deux.

C’est comme lorsqu’on monte les marches d’un escalier. On passe d’une marche à l’autre sans gravir de marche intermédiaire. Il n’y a pas de demi-marche. On saute de l’une à l’autre.

D’aucuns prétendent que, dans le monde quantique, les choses se déroulent de la même façon au niveau de l’énergie. On passe d’un état à l’autre sans traverser de stade intermédiaire.

Les microparticules font des bonds. Dans le monde subatomique, l’espace cesse d’être continu et devient granuleux. On y fait donc des bonds sans passer par un état intermédiaire…

On a découvert que la matière se manifeste à la fois par des particules et par des ondes. Tout comme l’espace et le temps, ou l’énergie et la masse, sont les deux faces d’une même médaille, les ondes et les particules sont les deux faces de la matière.

Comportements de la matière : Dans les cas de la physique classique et de la relativité, la mécanique est déterministe. Si, par exemple, nous savons où se trouve la lune, dans quelle direction et à quelle vitesse elle se déplace, nous serons capable d’en déduire son évolution passée et future. Si la lune se déplace vers la gauche à mille kilomètres à l’heure, elle sera dans une heure à mille kilomètres vers la gauche. On peut prévoir l’évolution des objets, dès lors qu’on connaît leur position et vitesse respectives.

Dans le monde quantique, c’est le le principe d’incertitude, formulée en 1927 par Werner Heisenberg : Lorsqu’on connaît la position précise d’une particule, on ne parvient pas à mesurer sa vitesse exacte. Et quand on connaît sa vitesse exacte, on ne parvient pas à définir sa position précise. Le principe d’incertitude établit qu’on peut déterminer avec précision la vitesse ou la position d’une particule, mais jamais les deux à la fois.

Il n’y a aucun moyen de déterminer avec exactitude à la fois la position et la vitesse d’un électron, ni en déduire ses mouvements passés ni à venir.

Telle est l’incertitude. La mécanique quantique recourt au calcul des probabilités. Si un électron doit choisir entre deux trous par lequel passer, il y a 50% de probabilité que l’électron passe par le trou de gauche et cinquante pour cent par celui de droite.

Niels Borh a établi que l’électron passe par les deux trous en même temps. Il passe par celui de gauche et par celui de droite. Ayant à choisir entre deux voies, l’électron passe simultanément par les deux, par le trou de gauche et par celui de droite. Il se retrouve à deux endroits en même temps.

Par exemple, si on met un électron dans une boîte divisée en deux compartiments, l’électron se retrouvera dans les deux en même temps, sous forme d’onde. Et si on l’observe dans la boîte, l’onde s’évanouira immédiatement et l’électron se transformera en particule dans un des compartiments. Mais si on ne l’observe pas, l’électron restera dans les deux compartiments sous forme d’onde. Et même si les deux compartiments étaient séparés et placés à des milliards d’années-lumière de distance, l’électron subsisterait dans les deux compartiments à la fois. Ce n’est qu’au moment où on l’observe dans un des compartiments que l’électron décide de quel côté il va rester.

Le rôle de l’observateur a été initialement établi par le principe d’incertitude. Heisenberg est arrivé à la conclusion qu’on ne pourrait jamais connaître avec précision et en même temps la position et la vitesse d’une particule à cause de la présence de l’observateur. La théorie a évolué au point que certains ont considéré que l’électron ne décide de l’endroit où il est que lorsqu’il existe un observateur.

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