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La gravitation... conclusion

 

Que l'on parvienne ou non a découvrir la ou les théories ultimes de l'Univers, la physique théorique aura réussi à accomplir le programme que Platon avait assigné aux astronomes: "sauver les apparences", c'est-à-dire rendre compte des phénomènes...

 

 

 

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 >> Autres pages : gravitation (intro Galilée Newton) - la mécanique newtonienne - la relativité selon Einstein

                                   mécanique quantique - ondes de choc - théories - gravitation (conclusion)

 

 

  

 

>> Vers l'apogée de la physique théorique

 

 

Que l'on parvienne ou non a découvrir la ou les théories ultimes de l'Univers, la physique théorique aura réussi à accomplir le programme que Platon avait assigné aux astronomes: "sauver les apparences", c'est-à-dire rendre compte des phénomènes.

Née dans la contemplation des astres, elle arrivera peut-être, à la fin de ce siècle, au terme de sa vie. Si elle parvient, d'ici là, à résoudre complètement le mystère de l'Univers et de ses lointaines galaxies.

 

A la fin du vingtième siècle, la physique théorique semble proche de son apogée. Mais, paradoxalement, sa réussite n'annonce-t-elle pas sa disparition en tant que science, et son retour vers ses origines philosophiques ? Telle est la question que les perpectives actuelles suggèrent à bon nombre de théoriciens.

 

Depuis toujours, l'Homme a levé ses yeux éblouis vers le ciel. La contemplation de l'espace, le mystère des sphères étoilées l'ont amené, au-delà du rêve, à reconnaître un ordre déterminé par la régularité du mouvement des astres. Magiques, mythiques, religieuses, métaphysiques, puis scientifiques, les pensées des hommes ont été structurées à la fois par leurs rapports avec les autres hommes et par leurs relations avec la nature. Et si les premiers éléments de géométrie et de numération, probablement apparus au cours du troisième millénaire avant notre ère, avec l'invention de l'écriture, semblaient répondre à des besoins pratiques, les mathématiques babyloniennes, essentiellement algébriques, témoignaient déjà de préoccupations beaucoup plus abstraites et d'une recherche plus tournée vers le désir de connaissance que vers les applications [1].

 

L'observation du ciel, le désir de décrire le monde et de le comprendre, le besoin d'abstraction ont conduit les penseurs de la Grèce antique à se forger une cosmogonie et à élaborer des philosophies de la nature. Ces dernières devaient se révéler être à la fois des sources puissantes d'inspiration pour l'édification de la pensée scientifique et des obstacles sérieux à son développement. L'absence d'un outil mathématique suffisant ne peut, en effet, être invoquée pour expliquer pourquoi il s'est écoulé près de dix-huit siècles entre la rédaction des Eléments d'Euclide, aboutissement des mathématiques grecques, et la publication du Dialogue sur les deux grands systèmes du monde de Galilée, qui marque la naissance de la physique.

 

Cette grande aventure, qui commence au sixième siècle avant notre ère, et qui verra la science éclore de la philosophie, puis s'en séparer, va conduire, dans une première étape, à l'énoncé du principe de relativité de Galilée, puis à la formulation des lois d'Isaac Newton qui fondent définitivement la mécanique classique [2]. Cet édifice sera achevé, au début du vingtième siècle, par la découverte de la relativité restreinte, en 1905, puis de la relativité générale, en 1915, par Albert Einstein.

 

Quatre grandes interactions répertoriées dans la nature et s'il nous faut redescendre sur terre pour y assister, au début du vingtième siècle, à la première révolution que la mécanique quantique a introduite dans la physique classique, afin de répondre à l'incapacité de cette dernière à expliquer le rayonnement du corps noir et la stabilité des atomes, nous nous apercevons maintenant que c'est de nouveau en regardant vers les plus lointaines galaxies, vers l'origine de l'Univers, que nous trouverons peut-être un jour la réponse aux grandes questions actuelles.

 

La situation de la physique, en 1994, est complètement différente de celle qui prévalait à la fin du dix-neuvième siècle. Contrairement à ce qui se passait à cette époque, aucun phénomène directement observable connu ne vient remettre actuellement en cause la validité de ses trois grandes théories: la mécanique quantique, la relativité générale et la thermodynamique. En revanche, il n'existe pas, à l'heure actuelle, de théorie cohérente et complète de l'Univers, et les quatre grandes interactions répertoriées dans la nature [3] ne sont pas encore décrites par un formalisme unifié.

 

Or les différents progrès de la physique se sont toujours accompagnés d'un travail de synthèse et d'unification. James Clerk Maxwell avait déjà prouvé, en 1850, que l'électricité et le magnétisme étaient deux aspects d'une même interaction, l'électromagnétisme. Théodor Kaluza et Oscar Klein, en développant la théorie de la relativité générale dans un univers à quatre dimensions d'espace au lieu de trois (avec, naturellement, une cinquième dimension pour le temps), montraient, de 1920 à 1926, que, pour un observateur percevant comme nous seulement trois dimensions (la quatrième dimension d'espace, repliée sur elle-même, demeurant invisible), la gravitation et l'électromagnétisme apparaissaient comme des déformations géométriques de la courbure de cet espace, et pouvaient se décrire dans un même formalisme. Ces idées furent négligées à l'époque, à cause des immenses succès de la mécanique quantique et de la découverte des deux autres interactions, qui ne semblaient en aucun cas pouvoir être décrites par la relativité générale, théorie non quantique.

 

En 1967, Steven Weinberg et Abdus Salam purent montrer théoriquement, grâce à l'électrodynamique quantique, que l'interaction électromagnétique et l'interaction faible étaient deux aspects d'une même interaction, la force "électrofaible". Lorsque les conséquences expérimentales de cette théorie furent vérifiées par la découverte, en 1973 puis en 1983, de deux nouvelles particules prévues, respectivement les bosons Z et W, l'espoir augmenta de parvenir à décrire, par un même formalisme, les interactions électromagnétiques faible et forte par des théories dites de "grande unification".

 

Malheureusement, il est clair que les trois forces précédentes ne pourraient fusionner en une interaction unique que pour des énergies beaucoup trop élevées pour être jamais réalisées par l'homme. On sait désormais qu'il sera impossible de vérifier directement par l'expérience la validité de toutes les théories de grande unification. En revanche, on peut espérer tester certaines de leurs prédictions indirectes, comme la durée de vie finie du noyau de l'atome d'hydrogène.

 

 

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>> Décrire le commencement et la fin de l'Univers

 

 

Les recherches laissent complètement de côté l'interaction gravitationnelle. Indépendamment, en effet, des difficultés théoriques, quasi insurmontables, que cette inclusion susciterait, l'interaction gravitationnelle entre particules est si faible, comparée aux autres forces, qu'elle serait masquée par les trois autres interactions dans toutes les expériences concevables en laboratoire: l'action de la gravitation ne pourrait, en effet, être observée sur des particules qu'à des énergies irréalisables par l'homme.

 

Il n'en reste pas moins qu'une théorie réellement unifiée devrait absolument inclure les forces de gravitation. Mais il est une autre raison, beaucoup plus fondamentale, qui oblige à édifier une théorie quantique de la gravitation: c'est que la relativité générale, à la base de tous les modèles cosmogoniques d'Univers, prévoit l'existence de "singularités", c'est-à-dire de points de l'espace-temps où la densité de matière et la force de gravitation deviennent infinies. Et ce, à la fois dans le passé, au début de l'expansion de l'univers (Big Bang), mais aussi dans le futur, au cours de l'effondrement gravitationnel des étoiles et peut-être de l'Univers lui-même (Big Crunch). La relativité générale étant inapplicable au voisinage de ces points singuliers, cela signifie que nous ne possédons pas encore d'instrument théorique pour décrire l'univers à son commencement et, éventuellement, à sa fin.

 

La recherche d'une théorie quantique décrivant de manière unifiée toutes les interactions, y compris la gravitation, ne procède donc pas d'une pure exigence esthétique. Cela para être une nécessité si l'on veut résoudre le mystère de la formation initiale de l'Univers et peut-être aussi celui des derniers instants de sa disparition éventuelle. Mais une théorie englobant l'ensemble des loi de l'Univers est-elle concevable ? Stephen Hawking [4] considère trois éventualités:

 

1) il existe une théorie unifié complète.

 

2) il y a une suite infinie de théories qui permettraient d'expliquer n'importe quelle classe particulière d'observations.

 

3) Une telle théorie n'existe pas et on ne peut pas décrire l'évolution de l'Univers au-delà d'un certain point.

 

 

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>> Les énergies du temps de la Génèse

 

 

Si l'on s'en tient à la première hypothèse, plusieurs conjectures audacieuses ont déjà été formulées, sur ce qu'il sera possible d'attendre d'une théorie de la gravitation quantique. Donnons-en trois exemples:

 

1) L'irréversibilité du temps et l'accroissement de l'entropie d'un système isolé, c'est-à-dire le deuxième principe de la thermodynamique, deviendraient une conséquence de la nouvelle théorie [5] et perdraient leur statut de postulat fondamental. La théorie de la gravitation quantique engloberait alors la thermodynamique, et unifierait complètement l'ensemble de la physique.

 

2) On devrait aboutir à une reformulation complète de la mécanique quantique contribuant, entre autres, à lever les difficultés inhérentes à la "théorie de la mesure" qu'elle renferme.

 

3) Une description complète de l'Univers, depuis l'explosion initiale jusqu'à son implosion éventuelle, pourrait être envisagée sans avoir besoin de connaître "I'état" du monde à son début.

 

 

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>> Que dire du réel ?

 

 

Indépendamment de ces spéculations, on peut remarquer que la physique théorique est déjà entrée dans une nouvelle phase. En effet, seules les conséquences indirectes des modèles d'Univers et des théories de grande unification peuvent être soumises à l'expérience, puisque leurs implications directes nécessiteraient, pour être vérifiées, des énergies que l'homme n'arrivera jamais à réaliser, mais qui existaient lors de la genèse de l'Univers.

 

C'est ainsi que la fuite des galaxies, mise en évidence par Edwin Hubble en 1929, apparaît explicable par les modèles d'expansion de l'Univers d'Alexander Friedmann, dérivés des équations de la relativité générale. De même, le rayonnement électromagnétique à la température de 2,7 degrés Kelvin (proche du zéro absolu), découvert par hasard par Arno Penzias et Robert Wilson en 1965, est-il interprété comme la trace d'une explosion gigantesque ayant donné naissance à l'Univers, il y a environ quinze milliards d'années [6]. Mais, aussi loin que nous regarderons dans l'espace, c'est-à-dire aussi loin que nous remonterons dans le temps, nous ne pourrons jamais "voir" la naissance de l'Univers, ni surtout la revivre. Nous ne pouvons émettre que des "postdictions" sur des événements passés, en exigeant qu'elles soient cohérentes avec nos observations présentes.

 

L'expérimentation, à ce stade, devient impossible. La physique théorique sortirait-elle tout doucement du paradigme strict de la science pour revenir dans le giron de la métaphysique qui lui a donné naissance ?

 

Que l'on parvienne ou non à découvrir la ou les théories ultimes de l'univers, la physique théorique aura réussi à accomplir le programme que Platon avait assigné aux astronomes: "Sauver les apparences", c'est-à-dire rendre compte des phénomènes. Née dans la contemplation des astres, elle arrivera peut-être, à la fin de ce siècle, au terme de sa vie, si elle parvient, d'ici là, à résoudre complètement le mystère de l'Univers et de ses lointaines galaxies.

 

Mais les interrogations fondamentales, qui lui ont donné naissance demeurent: que pouvons-nous dire du réel ? Où se situent l'être et la conscience ?

 

 

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>> Bibliographie

 

 

(1) Otto Neugebauer, les Science exactes dans l'Antiquité, Actes Sud Arles, 1990.

(2) Aux fondements de la mécanique de Newton viendront bientôt s'ajouter l'électromagnétisme de Maxwell, la thermodynamique de Sadi Carnot et la mécanique statistique de Ludwig Boltzmann.

(3) Il s'agit, par ordre d'intensité de la gravitation, des interaction électromagnétiques, de l'interaction "faible" (qui intervient dans 10 processus de désintégration des noyaux instables) et, enfin, de I'interaction "forte", à très courte portée, qui assure la cohésion de particules constituant le noyau de l'atome.

(4) Stephen Hawking, Commencement du temps et fin de la physique ? Flammarion, Paris, 1992.

(5) Roger Penrose, l'Esprit, l'Ordinateur et les Lois de la physique InterEditions, Paris, 1992.

(6) Stephen Weinberg, les Trois Premières Minutes de l'Univers, Editions du Seuil, Paris, 1978. La présence de ce rayonnement fossile avait été prévue, dès 1948, par Georges Gamov sur la base des modèles cosmologiques de Friedmann. 

  

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