Notion de Physique par Philamarmotte

Introduction

L'ultime but de la science est de fournir une théorie unique qui décrive l'univers dans son ensemble. Cette théorie serait l'aboutissement de l'unification de la mécanique quantique (décrivant des phénomènes à une échelle extrêmement réduite) et la relativité générale (décrivant la force de gravité et la structure à grande échelle de l'univers).

A ce jour, les scientifiques décrivent l'univers grâce à ces 2 théories partielles de base. Ces théories sont suffisantes pour faire des prédictions exactes dans toutes les situations mais pas dans les cas les plus extrêmes.

Il est clair qu'Einstein a fait connaître à la physique moderne un bond énorme. La théorie de la relativité générale a supplanté la théorie de Newtonienne de la gravitation et passé avec succès tous les test expérimentaux et observationnels.

Pourtant, cette théorie reste apparemment inconciliable avec la physique quantique (à savoir un ensemble de lois découvertes il y a 70 ans et auxquelles la nature obéit rigoureusement.

Rappelons les 4 forces/interactions fondamentales:

    -l'électromagnétisme  (s'exerce entre particules chargées)

    -l'interaction faible     (responsable de certaines désintégration nucléaire)

    -l'interaction forte      (permet la cohésion des particules à l'intérieur des noyaux atomiques)

    -la gravitation             (attraction mutuelle entre les corps matériels)

Les 3 premières forces peuvent être combiné dans ce que l'on appelle les théories de la grande unification.

Il n'existe pas de « version quantique » de la gravitation. Cette dernière contient un certain nombre de quantités, comme les masses relatives de différentes particules, qui ne peuvent être prédites par la théorie mais qui doivent être choisies pour cadrer avec les observations.

La principale difficulté pour trouver une théorie unifiant la gravitation et les autres forces est que la relativité générale est une théorie « classique », c'est à dire qu'elle ne contient pas de principe d'incertitude comparable à celui existant en mécanique quantique. Le premier objectif conduisant à une unification de la physique sera donc de combiner la relativité générale avec le principe d'incertitude.

Si on essaye de combiner ces deux principes, il n'y a que deux quantités à ajuster: l'intensité de la gravité et la valeur de la constante cosmologique (vitesse d'expansion de l'univers).

Univers parallèles et voyages dans le temps:

Voyageurs intrépides à travers les mondes où le temps, les équations mathématiques vous sourient!

Rappels sur la théorie de la relativité :

Première étape, 1905 quand Einstein publia sa théorie de la relativité restreinte. De cette théorie on peut retenir quelques petites choses importantes:

Rien ne peut se déplacer plus vite que la lumière, seule la lumière ou d'autres phénomènes sans masse intrinsèque peuvent l'atteindre.

Il n'y a pas de temps absolu (ce qui signifie que des horloges identiques aux mains d'observateurs différents ne devraient pas forcement indiquer la même heure).

La relativité restreinte nous apprend donc que plus un objet se déplace vite plus le temps s'écoule lentement pour lui (la limite de vitesse étant c la vitesse de la lumière soit environ 300000 Km/s). Ce phénomène n'est pas subjectif mais bien réel et peut être vérifié par des expériences très simples.

Ensuite, en 1916, Einstein compléta ses théorie en publiant cette fois la théorie générale de la relativité, théorie phare de la science du XXe siècle.

Cette dernière nous apprend principalement que l'espace-temps n'est pas un plan, il est plus ou moins courbée selon la distribution de masse se qui signifie plus simplement que plus un corps est dense plus il courbe l'espace-temps.

Courbure = matière 

La courbe attire ainsi les objets proche sur le corps massif (c'est ainsi que s'exerce la force de gravitation).

Tout cela pour en venir au fait que certaines équations de la théorie prévoient que des objets pourraient être assez lourds et denses pour pouvoir percer l'espace-temps. Ces objets possèdent des propriétés étonnantes. Ce sont les fameux  « trous noirs ». Ces objets sont aussi appelés par les mathématiciens des singularités.

Les trous noirs :

Par définition, c'est une région de l'espace dotée d'un champ gravitationnel si fort qu'aucun corps ni aucun rayonnement ne peut s'échapper de son voisinage.

Ils sont considérés comme le stade ultime d'une étoile massive s'effondrant sur elle même sous l'action de la gravité.

L'existence des trous noirs fut prédite en 1916 par l'astronome allemand Karl Schwarzschild, sur la base de la théorie de la relativité générale. La notion classique d'espace-temps n'a plus de signification à proximité d'un trou noir. Un corps ou un rayonnement qui pénètre dans un trou noir ne peut théoriquement plus en sortir en raison de la force gravitationnelle considérable du trou noir. Ainsi, un trou noir déforme la structure de l'espace-temps dans son voisinage. On peut comparer cette déformation de l'espace à celle que produirait un tourbillon, dont le centre serait le trou noir.

Les propriétés des trous noirs sont extraordinaires. Un trou noir stationnaire est complètement défini par trois paramètres : sa charge électrique, sa masse et son moment cinétique.

Ils n'ont encore jamais été observés pour la simple et bonne raison que leur densité produit une telle force d'attraction qu'elle empêche la lumière elle même de s'échapper. On peut cependant dire qu'un certains nombres de phénomènes cosmiques (fortes émissions de rayons X) nous laissent penser que les trous noirs existent bel et bien (Il y aurait même certainement un au centre de notre galaxie).

Anecdote: En 1908, une énorme explosion se produisit dans la région de Tunguska en Sibérie centrale. Tout ce qui se situait dans un rayon de 30km, dont un troupeau de 500 rennes, fut détruit. Mais cette explosion n'a laissé ni cratère, ni fragments excluant l'hypothèse d'un écrasement de météorite. Une hypothèse des plus audacieuse suppose qu'un mini trou noir (de quelques millimètres seulement!) aurait heurté la terre pour la traverser complètement et ressortir dans l'atlantique nord provoquant un énorme soulèvement d'eau dont personne n'aurait été témoin...

Les trous de ver:

Après avoir théorisé l'existence des trous noirs, Einstein et un autre physicien Nathan Rosen suggérèrent que le puits gravitationnel de certains d'entre eux puisse s'ouvrir sur un autre puits symétrique appelé par opposition « fontaine blanche ».

Ce passage est nommé « trou de ver » ou aussi « Pont Einstein-Rosen-Podolski » (communément appelé « Pont Einstein-Rosen »)

Toute matière tombant dans ce dernier serait expulsée en un autre point de l'espace... et du temps, par la « fontaine de lumière », jaillissement gravitationnel très énergétique.

On voit tout de suite l'intérêt de tels objets en matière de déplacement dans l'espace. Etant donnée que les 2 extrémités du trou de ver peuvent être 2 points très éloignés dans l'univers, passer à travers le trou de ver permettrait de voyager plus vite que la lumière! En effet, si l'on représente les 2 points antipodiques sur la surface d'une pomme, la lumière suivra une trajectoire géodésique (distance la plus courte entre 2 points dans un espace non-euclidien, c'est à dire un espaces courbe donc comme notre espace-temps) qui suit la surface de la pomme. En creusant un trou (de ver!) on parcours un chemin moins long que celui qu'a empruntée la lumière et le tour et joué. Sur des distances de l'ordre de grandeur de notre univers le gain peut apparaître encore plus évident.

Le voyage dans le temps :

Il existe d'autres moyens d'utiliser les trous de ver, mais cette fois le voyage et d'une autre nature... En manipulant les équations de la relativité, certains scientifiques comme Kurt Godel réussirent à montrer que les trous de ver pouvaient engendrer des boucles temporelles.

Si l'entrée d'un « trou de ver » (le trou noir) est immobile par rapport à nous et si la sortie (la « fontaine de lumière ») se déplace a une vitesse proche de celle de la lumière le phénomène de dilatation du temps prévus par Einstein aura une conséquence étonnante: le temps s'écoulera différemment à l'entrée et à la sortie du tunnel. Si on suppose que la fontaine blanche se déplace à 99,99% de la vitesse de la lumière, lorsque 48 heures auront passé à l'entrée, il ne se sera écoulé que 28 minutes à la sortie. Un voyageur pénétrant dans le tunnel 48 heures après sa création fera alors un voyage dans le temps de 47h32mn!

Ainsi une maîtrise de la construction des trous de ver permettrait de choisir le moment de sortie dans le passé.

Avant d'entrer dans le détail des paradoxes mis en lumière par le voyage dans le temps, il est intéressant de se pencher sur une question redoutable:

Pourquoi nos descendants maîtrisant certainement cette technologie ne nous rendent ils pas visite?

La réponse est plus simple qu'il n'y parait.

La boucle temporelle doit être crée avant de pouvoir être utilisée. Si un génial inventeur crée un « trou de ver » le 1 janvier 2000, l'entrée et la sortie commenceront leur existence à ce moment la. L'entrée évoluera normalement et la sortie sera figée dans le temps pour peu qu'on lui communique la vitesse de la lumière. L’inventeur ne pourra donc jamais revenir avant la date de création.

Viens maintenant le moment de trouver une réponse aux deux paradoxes très célèbres énoncés ci-dessous qui interdisent logiquement toutes possibilités de voyage dans le temps.

Premier paradoxe: « Paradoxe du grand-père ».

Il serait fort possible que notre inventeur voit débarquer son petit fils quelques secondes après avoir crée le tunnel. Ce dernier infâme psychopathe tue notre inventeur, donc son grand-père qui n'a pas encore de fils. Par cet acte notre psychopathe s'empêche donc de naître, des lors comment pourrait il tuer son aïeul!

Deuxième paradoxe: « Paradoxe de l'écrivain ».

Si à la place de tuer son grand-père notre arrivant du futur donne à notre inventeur un livre qui le fera devenir célèbre. L'homme n'ayant jamais rien écrit deviendra donc célèbre simplement en recopiant ce livre. Il n'aura donc jamais été crée mais juste recopié!

Conclusion: Accepter la possibilité de tels voyages revient à nier les principes de causalités et de cohérence logique. En quelques mots ou bien la physique élucide ces paradoxes ou bien il nous faut renoncer aux voyages dans le passé.

Pour répondre à ces paradoxes de nombreux scientifiques utilisant les propriétés propres à la mécanique quantique admettent l'existence d'univers parallèles.

Il est alors autorisé de penser que le voyage dans le temps se fasse dans un monde parallèle. On peut dès lors résoudre les paradoxes. Le petit fils remontant le temps se retrouve face a son grand père qui vit dans un univers qui n'est pas le sien. Il se prive donc de naître dans cette univers mais pas dans le sien. De même pour le livre, il aura été copié dans un univers et crée dans l'autre, l'acte de création aura au moins eu lieu dans un univers.

Pour accepter l'hypothèse du voyage dans le temps il convient donc d'admettre l'existence d'une multiplicité des univers.

Les mondes parallèles :

Selon la mécanique quantique l'état d'une particule est non seulement inconnu mais aussi indéterminé jusqu'au ce qu'on la mesure: c'est le fameux principe d'incertitude d'un certain Heisenberg. C'est à ce moment précis qu'elle se retrouve avec une charge positive ou négative. Une des interprétations possibles suppose qu’à cet instant où on mesure l'état de la particule l'univers se dédouble. Dans notre univers, la charge de la particule serait positive alors que dans l'univers parallèle cette dernière aurait une charge négative. A chaque instant se créeraient ainsi une multitude d'univers parallèles, déclinant tous les états de toutes les particules. Pour le physicien Michael Price « l'univers  se dédouble à chaque processus thermodynamique irréversible ».

Les principaux noms de la physique que l'on puisse citer en matière de théorie d'univers multiples sont Andrei Linde ou encore Hugh Everest. Selon eux, et en s'appuyant sur la théorie des cordes, il existerait donc une quasi-infinité d'univers parallèles au notre flottant dans ce qui est maintenant appelé un super univers primitif. Tous ces univers bulle seraient nés des fluctuations quantiques de ce super univers.

Le problème est qu'il n'est possible ni de voir, ni de détecter ces univers, et à priori encore mois possible de voyager entre ces univers comme dans la série TV Sliders... Ces univers n'ont probablement pas les mêmes lois physiques que le notre et sont de plus séparés du  notre par des distances s'exprimant en alignant quelques kilomètres de zéros. Ainsi pour prendre des exemples concrets, il existe certainement des univers où les électrons et les protons n'ont pas la même masse partout ou bien, plus que 4 dimensions, ou encore, où la flèche du temps est inversée (A ce propos, on peut signaler que des gens tels que Stephen Hawking  pensent que si un univers arrête son expansion et commence à se rétracter, le sens du temps s'inverse, son histoire se déroule à l'envers!). Il existe certainement un univers où vous gagner au loto et des millions d'autres ou vous perdez! Cependant, certaines théories cosmologiques supposent qu'il est possible en certains points de ces univers (le notre y compris) il puisse se créer d'autre univers à partir de singularités. Pourquoi alors ne pas voyager à travers le trou de ver pour découvrir d'autres univers?

Les problèmes fondamentaux :

En théorie, à travers les équations compliquées de la relativité, il est donc possible de voyager rapidement dans l'espace et le temps. Dans la pratique, utiliser les « trous de ver » pour voyager dans l'espace et le temps parait une chose pour le moment irréalisable étant donné l'état de nos connaissances actuelles.

Un des premier soucis que nous aurions si nous voulions utiliser le « Pont Einstein-Rosen » serait de le trouver et de le garder ouvert. En effet, certains indices tendent à prouver qu'ils existent, mais seulement à l'échelle microscopique. Ils ne mesureraient que 10e-43 cm et disparaîtrait au bout de 10e-35 s pour cause d'instabilité structurelle.

Solution: En 1985, Kip Thorne de CalTech montra qu'il pouvait exister des trous de ver assez grand pour laisser passer un être humain ou même un vaisseau. La seule chose à maîtriser serait l'énergie négative si nous voulions en créer un nous même. En effet, la seule manière de maintenir ouvert un trou de ver serait de le tapisser d'une matière anti-gravitationnelle (aussi appelée « matière exotique »), ce qui produirait un champ anti-gravitationnel (énergie négative). Si un trou de ver existe dans l'univers, il est prévu qu'il soit composé en partie d'énergie négative. Cette énergie négative est nécessaire à la défocalisation à l'intérieur du trou de ver, c'est à dire du passage de rayonnements convergents à l'entrée, à des rayonnements divergents à sa sortie. Le puit gravitationnel  induit par la matière ordinaire (de masse positive) attire les objets environnants à l'entrée du trou noir et la matière exotique (de masse négative) expulse les objets à la sortie (fontaine blanche).

Récemment en 1996, il a été mis en évidence expérimentalement un phénomène connu sous le nom d'effet Casimir. Cet effet est obtenu en imposant un fort champ électrique entre deux plaques séparées par le vide, le champ impose au vide une telle tension qu'il l'oblige à fluctuer jusqu'à ce qu'il donne naissance à des électrons. Ce qui revient à extraire de l'énergie du vide, celle ci ne pouvant être que négative. En extrapolant ce résultat expérimental à la gravitation on peut alors envisager que tout est encore possible en matière de création de champs anti-gravitationnel.

Pourtant ceux qui voudront maîtriser les trous de ver devront résoudre le problème de confiner de grandes quantités d'énergie négative dans des volumes extrêmement minces. La théorie des cordes pourrait être une solution à ce problème dans la mesure ou elle conçoit que de très fortes densités d'énergie sont réparties le long de lignes étroites, le problème est que tous les modèles de cordes cosmiques physiquement acceptables ont pour l'instant des densités d'énergie positive!

Le deuxième principal problème est de pouvoir rentrer dans le trou noir sans être écrasé, étiré et finalement détruit car ayant été attiré vers droit sur la singularité centrale de densité infinie.

Solution: En 1963, Roy Kerr bouscula le monde scientifique en apportant une solution à ce problème. Il prétendit que les trous noirs tournaient autour d'un axe central (tous comme le font les étoiles, il supposa alors qu'elles continuaient à tourner même après s'être effondrées). Ceci change absolument toutes les données du problème, il permet de définir un point par lequel il est possible de pénétrer dans un trou noir en toute sécurité. Comme dans l'oeil du cyclone, ce point serait dénué de toute force gravitationnelle!

En 1988, M. Morris, K. Thorne et Ulvi Yurtsever ont proposé une machine à remonter le temps fondée sur les trous de ver, et leur article et très étudié depuis une dizaine d'années. En 1992, S. Hawking a cependant prouvé qu'une telle machine ne pouvait exister sans énergie négative.

Tentatives d'unification :

Albert Einstein fut le premier physicien à tenter d'élaborer une théorie unificatrice dans les années 1910. Ses travaux sur la relativité lui faisant présumer l'existence d'une théorie commune pour les forces électromagnétiques et gravitationnelles, il essaya en vain, durant les trente dernières années de sa vie, de concevoir un modèle où forces et particules seraient représentées uniquement par des champs, les particules n'étant rien d'autre que des zones du champ où les valeurs d'intensité seraient particulièrement élevées. Mais l'avènement de la théorie quantique et la découverte de nouvelles particules sonnèrent l'échec d'Einstein, qui ne pouvait réussir dans sa tâche en s'aidant uniquement des lois de la relativité et de la physique classique.

Cette quête fut relancée dans les années 1960 sous l'impulsion des physiciens américains Steven Weinberg et Sheldon Glashow, et du physicien pakistanais Abdus Salam. Ces trois chercheurs parvinrent à unifier l'interaction nucléaire faible et l'interaction électromagnétique en faisant appel à des symétries internes, symétries portant sur les propriétés intrinsèques des particules (charge, spin, etc.) et non sur leurs positions spatio-temporelles. Selon cette théorie connue sous le nom de théorie électrofaible, les photons responsables des interactions électromagnétiques, appartiendraient à la même famille que les bosons intermédiaires W et Z, qui gouvernent les interactions faibles.

En 1976, apparut le nom de supergravité. Elle se base sur la super symétrie (1974) associant à chaque particule de matières (fermions: spin 1/2 et 3/2), une particule support de forces (bosons: spin entier: 0,1 et 2) et réciproquement. La supergravité combine une particule de masse nulle et de spin 2, le graviton à d'autres particules de spins 3/2, 1, 1/2 et 0. Toutes ces particules pouvant être considérées comme faisant partie d'une « super particule ».

Aujourd'hui, les scientifiques tentent de combiner les quatre types d'interactions à l'aide de théories de super symétrie et de supergravité mais le problème s'avère très ardu, les physiciens ne parvenant pas à englober l'interaction gravitationnelle dans leur théorie unificatrice. Pourtant, après des décennies d'échecs, la théorie des cordes semble ouvrir de nouveaux horizons...

Théorie des cordes :

Il existe plusieurs théories des cordes, dont 5 sortent du lot. Elles reposent toutes sur l'idée de ne pas considérer les objets fondamentaux de la physique comme des particules ponctuelles (de dimension 0) mais des entités de dimension 1, dotées d'une longueur très petite. Les différentes particules que nous connaissons apparaîtraient alors comme différents modes de vibration d'une corde (de la même façon que chaque mode vibration d'une corde de guitare correspond à une note). La multiplicité des théories pose la question : une des théorie est elle plus exacte que les autres? La réponse fut apporté grâce au travaux de plusieurs équipes dont notamment de E. Witten. En fait chacune des théories est un cas particulier d'une théorie plus générale utilisant la super symétrie.

Les théories des cordes semblent cependant n'être valables que si l'espace temps possède 10 ou 26 dimensions au lieu de nos 4 habituelles! Si elles existent pourquoi n'en voyons nous que 3 d'espaces et une de temps? En fait, on suppose que les autres dimensions sont courbes dans un espace de très petite taille.

On imagine alors que dans un univers primitif toutes les dimensions étaient sous cette forme et que certaines dimensions (celles que nous connaissons) se sont ouvertes.

L'idée d'un nombre de dimensions supérieur à 4 n'est pas nouvelle et prend sa source dans l'hypothèse émise par un mathématicien germano-polonais en 1919, Théodor Kaluza.Ce dernier énonçait une théorie qui, à première vue, unifiait avec élégance l'électromagnétisme et la gravitation, en considérant notre univers comme ayant 5 dimensions. Cette théorie fut améliorée par Oskar Klein, un physicien suédois, en 1926, il estima notamment la taille de la 5e dimension comme étant de l'ordre de 10e-35m. Vers 1930, la théorie Kaluza-Klein tomba dans l'oubli ou plutôt s'effaça devant la déferlante de la mécanique quantique.

Deux types de cordes sont envisageable: ouvertes et fermée. Une corde typique serait si petite qu'il faudrait en mettre 10e20 bout à bout pour atteindre le diamètre d'un simple proton. Il n'existe sur Terre aucun moyen de tester en laboratoire de façon expérimentale la structure de la matière à cette échelle, il faudrait pour cela un accélérateur de particules plus grand que la Terre elle-même.

Alors que le chemin d'une particule normale dans l'espace temps est une ligne (ligne d'univers), le chemin d'une corde sera une surface bidimensionnelle (feuille d'univers), une bande ou un cylindre selon le type de corde.

Deux morceaux de cordes peuvent s'ajouter pour former une seule corde. De même, un morceau de corde peut se diviser en 2 cordes. Ainsi, l'émission ou l'absorption d'une particule par une autre peut se traduire en terme de « cordes » par la division ou la jonction de cordes.

Ainsi, dans un modèle proposé en 1988, la lumière, décrite par des cordes ouvertes, peut se propager dans les trois dimensions qui nous sont familière, alors que la gravitation, représentée par des cordes fermées, peut se propager dans les dimensions parallèles envisagées par la théorie des cordes.

Les physiciens mathématiciens sont très intéressés par les implications de la théorie des cordes : tout en fournissant une explication du comportement connu de particules comme les électrons et les protons, elle donne une description de la gravitation en termes de comportement de cordes vibrantes ayant la forme de boucles. De nombreux physiciens estiment que les super cordes constituent donc le meilleur espoir de pouvoir développer un jour une « théorie du tout » fondamentale.

Peut-il y avoir réellement une théorie unique?

En fait, il semble qu'il y ait 3 possibilités:

1- Il n'y a pas de théorie de l'univers, les événements ne peuvent être prédits au delà d'un certain point et arrivent au hasard et de manière arbitraire.

Cette version est  défendue par certains affirmant que si  un ensemble de lois décrivaient le fonctionnement de l'univers, cela enfreindrait la liberté de Dieu, fut effacé en redéfinissant le but de la physique c'est à dire: de formuler un ensemble de lois capables de prédire les événements seulement dans les limites du principe d'incertitude.

2- Il n'y a pas de théorie ultime de l'univers, juste une suite infinies de théories partielles qui décrivent l'univers plus ou moins précisément.

Cependant il semble vraiment que la séquence de théories de plus en plus raffinées doivent connaître quelques limites dans le futur. En effet, la gravité parait fournir une limites à cette séquence de « poupées russes ». Si l'on avait une particule avec une énergie supérieure à l'énergie de Planck (10e10 GeV), sa masse se retrancherait elle même du reste de l'univers et formerait un trou noir. Bien sur, l'énergie de Planck représente un long chemin à partir des énergies obtenues actuellement avec nos accélérateurs (~100 GeV), mais tous laisse penser qu'une théorie universelle existe.

3- Il y a bien une théorie unifiée.

Paradoxe fondamental de la théorie de l'unification

Les notions relatives aux théories scientifiques supposent que nous sommes des êtres rationnels, libres d'observer l'univers comme nous le voulons et de tirer des conclusions logiques à partir de ce que nous voyons. Donc, si une théorie complètement unifiée existe elle est vraisemblablement capable de déterminer nos actions. Ainsi, la théorie elle même devrait déterminer l'aboutissement de notre recherche la concernant!

Gravitation :
Phénomène d'attraction mutuelle entre les corps matériels, dépendant de leur masse et du carré de leur distance. Cette interaction est inhérente aux masses de ces corps. Le terme de gravité est parfois utilisé comme synonyme. Cependant, il ne se réfère précisément qu'à la force d'interaction gravitationnelle entre la Terre et les corps placés à proximité. Dans ce cas, on parle également de pesanteur.
La gravitation est l'une des quatre forces d'interaction fondamentales de la matière; les autres sont les interactions nucléaires fortes et faibles, et la force d'interaction électromagnétique. Les tentatives d'unification de ces forces dans une seule théorie n'ont pas encore abouti. Il en va de même pour les tentatives de détection des ondes gravitationnelles, dont l'existence est suggérée par la théorie de la relativité. Ces ondes pourraient être observées en perturbant le champ gravitationnel d'un corps très massif de l'Univers.
La loi de la gravitation, formulée pour la première fois en 1684 par le physicien anglais sir Isaac Newton, stipule que l'attraction gravitationnelle entre deux corps est directement proportionnelle au produit des masses des deux corps, et inversement proportionnelle au carré de la distance les séparant. La loi s'exprime sous forme algébrique:

F = G.(m1.m2)/d²

Où F représente la force de gravitation, m1 et m2 les masses respectives des deux corps, d la distance entre les corps et G, la constante gravitationnelle. La valeur de cette constante a été mesurée pour la première fois par le physicien britannique Henry Cavendish, en 1798, avec une balance de torsion. La meilleure valeur actuelle pour cette constante est 6,67.10-11N.m2.kg-2. Ainsi, si on considère deux corps sphériques de 1kg, séparés d'1m (distance mesurée entre les deux centres), la force de gravitation s'exerçant entre ces deux corps est de 6,67.10-11N. Cette force est très faible: elle est égale au poids, mesuré à la surface terrestre, d'un objet ayant une masse d'environ (1/150).10-9kg.

Effet de la rotation de la Terre
La force de gravité s'exerçant sur un objet n'est pas identique sur toute la surface de la Terre. C'est principalement la rotation de la Terre qui explique ce phénomène. La force de gravité mesurée est une combinaison de la force gravitationnelle due à l'attraction de la Terre et de la force centrifuge due à sa rotation. À l'équateur, la force centrifuge est importante, ce qui diminue relativement la force gravitationnelle mesurée. En revanche, la force centrifuge aux pôles est nulle, ce qui augmente relativement la force gravitationnelle. Ce qu'on appelle couramment la « force de gravité » est donc en fait une combinaison de forces.

Accélération et pesanteur
La gravité, ou pesanteur, est ordinairement mesurée par l'accélération d'un objet en chute libre, à la surface de la Terre. À l'équateur, l'accélération de la pesanteur, notée g, est de 9,7799 m.s-2, alors qu'aux pôles cette accélération est supérieure à 9,83 m.s-2. Dans les calculs, on utilise la valeur normalisée de 9,80665 m.s-2.

Einstein :

Jeunesse d'Einstein
Premières publications scientifiques
Effet photoélectrique
Mouvement brownien
Théorie de la relativité restreinte
Réactions de la communauté scientifique
Théorie de la relativité générale
Théorie de Bose-Einstein
Années de gloire
Einstein, adversaire du nazisme
Einstein, scientifique engagé

Einstein, Albert (1879-1955), physicien américain d'origine allemande, lauréat du prix Nobel pour son étude de l'effet photoélectrique, mais surtout connu comme le créateur des théories de la relativité restreinte et générale.
Jeunesse d'Einstein
Né à Ulm le 14mars 1879, Albert Einstein passa sa jeunesse à Munich, où sa famille possédait un petit atelier de fabrication de machines électriques. Dès le plus jeune âge, il fit preuve d'une intense curiosité, montrant une aptitude remarquable à comprendre les concepts mathématiques les plus ardus. À douze ans, il apprit ainsi par lui-même les fondements de géométrie euclidienne.
Quand une faillite commerciale obligea sa famille à quitter l'Allemagne pour s'installer à Milan, Einstein suivit ses parents en Italie durant un an, avant de partir à Munich pour y terminer ses études secondaires. Il entra ensuite en 1896 à l'École polytechnique fédérale de Zurich, où il ne brilla ni par ses résultats, ni par son assiduité aux cours. Il réussit néanmoins ses examens, obtenant sa licence en 1900.
Plutôt mal considéré par ses professeurs, Einstein ne fut pas recommandé pour une place d'enseignant à l'université. Naturalisé suisse, il décrocha en 1902 un poste à l'Office fédéral des brevets suisses de Berne. Il se maria l'année suivante avec Mileva Mariç, une ancienne camarade de classe de l'Institut polytechnique.

Premières publications scientifiques
En 1905, Einstein obtint son doctorat à l'université de Zurich pour une thèse théorique sur les dimensions des molécules. Il publia également cette année-là quatre articles théoriques qui se révélèrent d'une importance capitale pour le développement de la physique du XXe siècle. Publiés dans la revue scientifique allemande Annalen der Physik, ses mémoires étaient ainsi titrés: Sur un point de vue heuristique concernant la production et la transformation de la lumière; Sur le mouvement brownien; Sur l'électrodynamique des corps en mouvement; L'inertie d'un corps dépend-elle de son contenu en énergie!?

Effet photoélectrique :
Dans le premier article, Einstein fournit une explication à l'effet photoélectrique en émettant l'hypothèse que la lumière puisse être constituée de grains d'énergie, que l'on nomma par la suite photons. Il postula également que ces quanta devaient posséder une énergie proportionnelle à la fréquence du rayonnement, proposant la formule E=hu, où E représente l'énergie rayonnée, h la constante de Planck et u la fréquence du photon. L'existence de ces photons ne fut confirmée que dix-huit ans plus tard par le physicien américain Arthur Compton, lors d'une expérience sur les rayons X.
Einstein, dont l'intérêt premier était de comprendre la nature du rayonnement électromagnétique, contribua par la suite au développement de la théorie fusionnant les modèles ondulatoire et corpusculaire de la lumière, élaborée par le physicien français Louis de Broglie en 1923 (Dualité onde particule).
Mouvement brownien
Le deuxième article publié concernait l'étude du mouvement brownien, c'est-à-dire le mouvement de particules distribuées aléatoirement dans un fluide. Faisant appel aux probabilités, Einstein y formula une description mathématique du phénomène.
 

Théorie de la relativité restreinte :
Dans le troisième article, de loin le plus célèbre, Einstein exposa la théorie fondamentale de la relativité restreinte. Depuis l'époque de Newton, les scientifiques tentaient sans succès de relier les lois du mouvement aux lois de Maxwell dans le cadre d'une description unifiée du monde. Selon la conception mécaniste, les lois du mouvement devaient pouvoir expliquer la totalité des phénomènes, alors que, d'après les partisans de Maxwell, les lois de l'électricité devaient constituer le fondement de la physique. Mais ces deux grands ensembles théoriques demeuraient apparemment incompatibles, se révélant en outre incapables d'expliquer pourquoi certains phénomènes d'interaction de la lumière avec la matière n'apparaissaient pas de manière strictement identique à un observateur au repos et à un observateur se déplaçant à une vitesse constante par rapport au premier.
Au printemps 1905, Einstein se rendit compte que le cœur du problème ne résidait pas dans la théorie de la matière, mais dans la théorie de la mesure. Il fut donc amené à réviser les notions de mesure d'espace et de temps, ce qui le conduisit à développer une théorie fondée sur deux postulats: le principe de la relativité, stipulant que toutes les lois de la physique sont similaires dans tous les repères inertiels, et le principe de l'invariance de la vitesse de la lumière, énonçant que cette vitesse dans le vide est une constante universelle. Grâce à cette théorie, il fut alors capable de fournir une description logique et correcte des événements physiques dans des repères inertiels différents, sans devoir émettre pour autant des hypothèses particulières sur la nature de la matière ou du rayonnement, ou sur la façon dont ils interagissent.
Le quatrième article qu'Einstein publia en 1905 correspondait en fait à un corollaire du précédent: il y exposait la notion nouvelle d'équivalence entre masse et énergie, introduisant la célèbre formule E=mc².

Réactions de la communauté scientifique :
Les articles d'Einstein retinrent bien vite l'attention des grands scientifiques de l'époque, même si la plupart d'entre eux restèrent fort sceptiques. Le rejet global de ses théories n'était dû ni à leur complexité mathématique, ni à quelque obscurité technique, mais plutôt à l'approche même du sujet par Einstein.
Adoptant en effet un point de vue très personnel sur la manière d'appréhender l'expérience et la théorie, le scientifique considérait ainsi que l'expérience constituait la seule source de connaissance réelle, les théories scientifiques n'étant que des créations libres, produites par une intuition physique profonde. Il croyait en outre que les prémisses sur lesquelles sont fondées les théories ne pouvaient être reliées à l'expérimentation par la logique. Par conséquent, une théorie se montrait valable à ses yeux si elle contenait le strict minimum de postulats nécessaires à la justification d'une preuve physique. Cette rareté des postulats, caractéristique de toute l'œuvre d'Einstein, peut expliquer pourquoi ses collègues furent si réticents à admettre ses théories.
Toutefois, Einstein fut quand même soutenu par d'éminents physiciens, à commencer par le physicien allemand Max Planck. Acquérant rapidement une certaine reconnaissance au sein de la communauté scientifique, il participa à de nombreux congrès où il essaya de faire accepter la théorie de la relativité restreinte. Il se fit ainsi une place dans le monde universitaire germanophone, et obtint sa première affectation universitaire, en 1909, à l'université de Zurich. En 1911, il occupa un poste à l'université de Prague, avant de retourner l'année suivante à Zurich. En 1913, il accepta un poste de professeur de l'institut Kaiser-Wilhelm de physique à Berlin.
Théorie de la relativité générale
Avant son départ de l'Office des brevets, Einstein avait déjà commencé à travailler à l'extension et à la généralisation de sa théorie de la relativité au-delà des seuls repères inertiels. Dans ce cadre, il énonça le principe d'équivalence, postulant que le champ de gravitation est équivalent à l'accélération, suivant le repère de référence dans lequel se situe l'observateur. Par ailleurs, il introduisit le concept d'espace-temps, espace à quatre dimensions ayant les trois dimensions de l'espace classique et le temps comme quatrième. Cette abstraction mathématique lui permit d'étudier les interactions entre les corps dans un nouveau contexte, interactions attribuées jusque-là au champ gravitationnel.
Publiée en 1916, la théorie de la relativité générale apparut à bon nombre de physiciens comme une théorie plus philosophique que scientifique, voire quasi mystique. Pourtant, cette théorie permit à Einstein d'expliquer les étranges variations du mouvement orbital de certaines planètes, mais également de prédire la courbure de la lumière des étoiles à proximité d'un corps massif comme le Soleil. La confirmation de ce dernier phénomène lors d'une éclipse solaire en 1919 accrédita les thèses d'Einstein, qui occupa dès lors le devant de la scène scientifique.
Pendant le reste de sa vie, il tenta de généraliser encore plus sa théorie, travaillant à l'unification de l'électromagnétisme et de la gravitation, mais ses travaux ne furent pas couronnés de succès.

Théorie de Bose-Einstein :
Entre 1915 et 1930, la physique fut dominée par une nouvelle conception du caractère fondamental de la matière, la théorie quantique. Cette théorie utilisait la notion de dualité onde particule, déjà avancée par Einstein dans un article de 1917, préconisant que la lumière présente les propriétés d'une particule mais aussi celles d'une onde. Elle se fondait en outre sur le principe d'incertitude, élaboré par le physicien allemand Heisenberg, stipulant qu'il est impossible de connaître en même temps certaines quantités physiques, par exemple la position et la vitesse d'une particule. La théorie quantique, qui remettait en cause la notion de causalité en physique, ne fut jamais totalement acceptée par Einstein, qui refusait d'abandonner tout déterminisme: « Dieu ne joue pas aux dés avec le monde », disait-il. Toutefois, il apporta sa contribution à cette théorie en étudiant le comportement des photons, faisant publier en 1924 un article du physicien indien Bose à ce sujet. Collaborant avec ce dernier, il élabora la théorie statistique de Bose-Einstein, qui s'applique à la mécanique statistique.

Années de gloire
Après 1919, Einstein jouit enfin d'une renommée internationale. Il accumula les honneurs et les récompenses, recevant en particulier en 1921 le prix Nobel de physique pour son étude de l'effet photoélectrique, et non pour la théorie de la relativité qui demeurait encore très controversée. Sa visite dans n'importe quelle partie du monde devint alors un événement national, les photographes et les journalistes le suivant partout. Tout en regrettant la perte de sa vie privée, Einstein tira profit de sa renommée pour défendre ses conceptions sociales et politiques, s'illustrant notamment par l'appui qu'il apporta au pacifisme et au sionisme.

Einstein, adversaire du nazisme
Pendant la Première Guerre mondiale, il avait déjà fait partie du petit nombre d'universitaires allemands qui s'étaient opposés publiquement au bellicisme de l'Allemagne. Après la guerre, son engagement en faveur des thèses pacifistes et sionistes en fit la cible privilégiée d'éléments antisémites et de l'extrême droite allemande. Même ses théories scientifiques firent l'objet d'attaques publiques, et notamment la théorie de la relativité.
Lorsque Hitler arriva au pouvoir en 1933, Einstein a du quitter l'Allemagne, émigrant tout d'abord à Paris, puis en Belgique, avant de s'installer à Princeton aux États-Unis, où il occupa un poste à l'Institute for Advanced Study.
Poursuivant ses efforts en faveur du sionisme, Einstein rompit avec le pacifisme devant la menace terrifiante que représentait pour l'humanité le régime nazi.
En 1939, à la demande d'autres physiciens, Einstein accepta d'écrire une lettre au président américain Franklin Roosevelt, le prévenant du danger auquel le monde serait exposé si le gouvernement allemand s'engageait dans la voie de l'énergie nucléaire. Cette fameuse lettre fut à l'origine du projet Manhattan, programme américain de recherches axé sur la construction d'une bombe atomique. Einstein ne joua cependant aucun rôle dans ce projet, à la différence de certains de ses confrères comme Enrico Fermi ou Niels Bohr. En 1945, lorsqu'il comprit que ce programme allait aboutir, il prit même l'initiative d'écrire une nouvelle fois à Roosevelt pour le prier de renoncer à l'arme atomique.
Einstein, scientifique engagé
Après la guerre, Einstein plaida en faveur du désarmement international mondial, tout en continuant à soutenir activement la cause d'Israël. Son engagement en faveur de causes sociales et politiques fut parfois qualifié d'irréaliste. En fait, ses propositions furent toujours soigneusement élaborées. À l'instar de ses théories scientifiques, elles furent motivées par une puissante intuition, fondée sur une évaluation perspicace et profonde de la preuve et de l'observation. Même si Einstein consacra une grande partie de son temps à la défense de causes politiques et sociales, la science occupa toujours la première place dans ses travaux. En effet, il disait souvent que seule la découverte de la nature de l'univers aurait une signification durable. Il mourut à Princeton le 18 avril 1955.







Physique quantique :
La physique quantique, voila un domaine qui échappe au sens commun. Elle est intimement liée avec le monde qui nous entoure dans la mesure ou elle permet de décrire les propriétés dynamiques des particules subatomiques et les interactions entre la matière et le rayonnement. Cependant, la théorie quantique reste en marge (jusqu'a présent...) avec les théories qui s'appliquent à l'échelle macroscopique (la mécanique classique par exemple).

Qui veut appréhender la physique quantique doit abandonner toute intuition et toute logique fondée sur sa connaissance du monde qui nous entoure. De plus, elle s'appuie sur des formalismes mathématiques puissants impossibles à traduire en concepts courants. La théorie quantique se caractérise par un ensemble de concepts abstraits totalement contre intuitifs qui la rende très difficile à vulgariser. Ce pourquoi cette page ne s'étalera pas dans les détails saugrenus de cette discipline mais essaiera plutôt d'aborder les notions, précisément non intuitives, qu'il est nécessaire d'avoir à l'esprit pour mieux appréhender les sujets de ce site.

Aujourd'hui, la théorie quantique constitue le fondement de toute la physique moderne: la physique du solide, la physique de la matière condensée, la supraconductivité, la physique nucléaire et la physique des particules élémentaires trouvent en cette théorie un base cohérente.

Ce que ne sont pas les atomes
En 1911, le physicien Rutherford détermina l'existence du noyau atomique. Il émit l'hypothèse que tous les atomes sont constitués d'un noyau dense chargé positivement et autour duquel tournent, comme les planètes autour du Soleil, les électrons chargés négativement. La théorie électromagnétique classique développée par le physicien britannique James Maxwell prédit sans équivoque qu'un électron tournant autour du noyau rayonne continuellement de l'énergie électromagnétique jusqu'à épuisement total de son énergie. Ainsi, d'après la théorie classique, un atome tel que décrit par Rutherford serait instable. Cette lacune amena le physicien danois Niels Bohr, à postuler, en 1913, que la théorie classique n'est pas valable pour un atome et que les électrons se déplacent sur des orbites placées à des distances déterminées du noyau et qu'à chaque changement d'orbite d'un électron il y a absorption (s'il s'éloigne du noyau) ou émission d'énergie (s'il s'en approche). Damned, qu'avait il fait la, l'image décrite en 1911 est sympathique car facile à assimiler avec des concepts familiers. Cependant, comme je l'ai souligné plus haut, la mécanique quantique n'est pas le domaine du familier, l'image donnée par Bohr est pur le moins trompeuse. Les électrons ne tournent pas autour du noyau! Ce sont des objets quantiques qui ne sont pas modélisables par des points et qui ne possèdent pas de trajectoire. Les électrons n'occupent pas une position précise mais sont diffus. On les décrit par une fonction d'onde (LIEN) qui détermine la probabilité de leur présence en un lieu et à un instant donné. On représente communément cette probabilité par des sortes de nuages flou (orbitales) plus ou moins dense selon cette probabilité. Les électrons d'un atome on des niveaux d'énergie bien définis spécifique à l'élément considéré

Théorie des quanta :
Le premier développement qui conduisit à la résolution des difficultés théoriques que les observations amenaient fut l'introduction par le physicien allemand Max Planck de la notion de quantum comme réponse aux études conduites par les physiciens sur le rayonnement du corps noir, pendant les dernières années du XIXe siècle. Son hypothèse indiquait que l'énergie était rayonnée seulement par quanta d'énergie h*u, où u est la fréquence et h le quantum d'action, connu aujourd'hui sous le nom de constante de Planck. En 1900, Planck affirma donc que la matière ainsi que l'énergie rayonnante ont une structure discontinue et postula que la matière ne peut émettre ou absorber l'énergie rayonnante que par petites unités discrètes appelées quanta.

La superposition d'état :
Voila encore une exclusivité quantique. Le principe de superposition affirme que les caractéristiques d'un atome, d'une particule ou d'un système quantique en général constituent un état. Or, quand un système à plusieurs états possibles, la somme de tous ces états est également un état possible! Le système se trouve alors dans une superposition d'état. C'est grâce à ce principe qu'une particule peut occuper plusieurs positions à la fois ou qu'un atome peut se trouver dans un état de superposition d'énergies. Ce phénomène est bien sur impensable dans l'univers classique. Le simple fait de mesurer fait disparaître la superposition d'état au profit d'un seul. Pourtant à défaut d'avoir une mesure de la superposition d'états la théorie quantique nous donne la probabilité qu'on a de mesurer chaque état.
Remarque: Pour rester dans le domaine de la cosmologie, on peut souligner une hypothèse intéressante de Hugh Everest qui postule que a chaque réduction du nombre d'états il n'y a pas passage de superposition d'états à un seul mais réalisation de tous les état dans un univers différent. Théorie qui reste, à priori, invérifiable de par le fait que les univers parallèles ne communiquent pas entre eux.

La dualité onde corpuscule :
Que les atomes soient constitués de particules, soit, mais il restait encore des phénomènes inexplicables. Comme les ondes électromagnétiques ont des caractéristiques de particules, le physicien français Louis Victor de Broglie suggère, en 1924, que les particules pourraient aussi, dans certains cas, montrer des propriétés d'ondes. Quelques années plus tard, cette prédiction fut vérifiée expérimentalement par les physiciens américains Clinton Joseph Davisson, LesterHalbert Germer et le britannique George Paget Thomson. Ils montrèrent qu'un faisceau d'électrons dispersés par un cristal génère une diffraction caractéristique d'une onde.

L'équation d'onde :
La notion ondulatoire de la particule permet au physicien australien Erwin Schrödinger de développer une équation dite équation d'onde pour décrire les propriétés ondulatoires de la particule et, plus particulièrement, le comportement de l'électron dans l'atome d'hydrogène. L'équation d'onde de Schrödinger présente donc quelques solutions discrètes seulement, ces solutions sont des expressions mathématiques dont les paramètres représentent les nombres quantiques. (Les nombres quantiques sont des entiers introduits dans la physique des particules pour exprimer la grandeur de certaines quantités caractéristiques des particules ou des systèmes.) Les solutions de l'équation de Schrödinger indiquent aussi que les quatre nombres quantiques de deux électrons ne peuvent pas occuper le même état énergétique. Cette règle, déjà établie empiriquement par le physicien suisse Wolfgang Pauli, en 1925, est appelée principe d'exclusion.

Le principe d'incertitude :
L'impossibilité de localiser un électron avec exactitude à un moment précis est analysée par Werner Heisenberg qui, en 1927, formule le principe d'incertitude. Ce principe stipule l'impossibilité de déterminer simultanément la position exacte et le moment d'une particule. Non pas à cause de l'imprécision des appareils de mesure, mais à cause d'une caractéristique intrinsèque du monde quantique. En premier lieu, il est impossible de mesurer la position d'une particule sans perturber sa vitesse. Les connaissances de la position et de la vitesse sont dites complémentaires, c'est-à-dire qu'elles ne peuvent pas être précisées simultanément. Ce principe est aussi fondamental si l'on veut comprendre la mécanique quantique telle qu'elle est conçue aujourd'hui: les caractères ondulatoire et corpusculaire du rayonnement électromagnétique peuvent être compris comme deux propriétés complémentaires du rayonnement.

Les recherches actuelles :
Malgré son efficacité incontestable et ses succès dans de nombreux domaines et applications de la physique (lasers, transistors, ...) la physique quantique continue à poser deux problèmes d'envergure :

Ou se trouve la limite entre ce monde quantique aux règles étranges et le monde macroscopique que la physique classique décrit entièrement?
Pourquoi les lois des la physiques quantique, qui ne s'appliquent qu'au monde subatomique, ne peuvent se généraliser à l'échelle de l'univers (ou inversement).
Nous sommes confronté à deux constatations contradictoires. Le monde quantique semble exister en marge de l'univers et pourtant on a pu constater que l'observateur perturbe l'objet quantique quand il l'observe, le monde extérieur ne semble donc pas exister de façon totalement indépendante! La recherche du lien entre la mécanique quantique et les lois de l'univers (la théorie du tout en quelque sorte) est toujours un des plus grand défi de la physique.

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