De l'infiniment petit : Les particules élémentaires

Bundesarchiv -Max Planck
Au début du XIXème siècle, Laplace écrit une Théorie, dite du déterminisme scientifique, selon laquelle des lois permettraient de prédire tout ce qui se passerait dans l'Univers, jusque et y compris, dans le comportement humain. Cette foi dans la Science supposait que tout ce que nous n'étions pas encore en mesure d'expliquer par méconnaissance deviendrait explicable avec les progrès du savoir. Cette croyance dans un absolu de la science et du savoir engendrait le positivisme d'Auguste Comte et de beaucoup de scientifiques de l'époque.

Dès le début du vingtième siècle, ces absolues certitudes allaient être ébranlées par deux théories : la Théorie des Quanta, émise par Max Planck considérait que la lumière, les rayons X et autres ondes ne peuvent être émis que par paquets, les quanta.

Cependant en 1926, Werner Heisenberg décrivait en ces termes le " principe d'incertitude " : " l'incertitude de la position de la particule, multipliée par l'incertitude de sa vitesse, multipliée par la masse de la particule, ne peut jamais être plus petite qu'une certaine quantité que l'on nomme la constante de Planck ".
Le principe d'incertitude, sur lequel est fondée la mécanique quantique, a bouleversé la conception que nous avions du monde. Nous ne pouvons pas prévoir l'avenir avec certitude, alors que nous sommes incapables de mesurer l'état présent de l'Univers avec précision. La mécanique quantique introduit un élément inévitable d'imprécision et de hasard dans la Science. " Les particules n'y ont plus de positions tranchées, bien définies, ni de vitesse que l'on pourrait observer. A la place, elles ont un état quantique, qui est une combinaison de leur situation (espace) et de leur vitesse (temps) " comme l'écrit Stephen Hawking. Un saut instantané quantique ne peut être localisé dans le temps qu'avec une certaine probabilité qui n'est pas due à l'ignorance mais à une situation objective. " La transition quantique est quelque chose qui transcende le cadre de l'espace et du temps " estime Louis de Broglie qui conclut : " Notre cadre de l'espace et du temps n'est pas adéquat à la véritable description des réalités à l'échelle microscopique. " La mécanique quantique, en niant la localisation spatiale ou temporelle, touche à l'essentiel des concepts d'espace et de temps. Elle implique de renoncer aux idées de position, d'instant, d'objet et à tout ce qui constitue notre intuition usuelle pour des notions et des hypothèses de réalité indécise.

Contrastant avec cette " probabilité d'existence " au niveau du concept, la mécanique quantique est à la base de toute la science et de la technologie moderne en électronique, informatique, mais aussi en chimie et en biologie.

L'existence d'interférences entre ondes et particules, impose une nouvelle conception de l'atome de Bohr. " La particule n'a pas un chemin unique, ou une trajectoire dans l'espace - temps comme se serait le cas dans une théorie classique non quantique " ce que Richard Feynman exprime sous la théorie " d'intégrale des chemins ". Au niveau des molécules et de leurs interactions, la mécanique quantique " permet en principe de prédire à peu près tout ce que nous voyons autour de nous, à l'intérieur des limites marquées par le principe d'incertitude. " De cette constatation découlent de nombreuses tentatives de fonder notre compréhension de la théorie soumise à la vérification expérimentale. La théorie initiale des Quanta a montré ses limites, à l'origine de nouvelles théories comme la " Théories des Cordes ". Cette théorie nouvelle  mais qui est toujours en élaboration depuis plus de trente ans, tente de décrire toutes les forces dans l'Univers, de réaliser enfin la grande unification de la physique dont rêvait Einstein. La Théorie des Cordes permet de réunir la Gravitation et la Mécanique Quantique mais elle est encore loin d'être complète même si elle a déjà apporté des notions essentielles à la connaissance des trous noirs.
Si une particule, assimilée à un point, trace son chemin dans l'espace-temps, elle le fait sous forme d'une ligne (ligne d'Univers). Les cordes qui sont des entités qui ont une longueur, mais pas d'autres dimensions, peuvent être ouvertes ou fermées. La trace d'une corde en déplacement sera donc une surface constituant une feuille " d'Univers ", constituant en cas de corde ouverte, une bande, en cas de corde fermée, un cylindre ou un tube.

Dans la Théorie des cordes, ce que l'on raisonnait auparavant en terme de particules est maintenant représenté par des ondes voyageant le long d'une corde. L'émission ou l'absorption d'une particule par une autre correspond à la division ou à la jonction de cordes.
Espace de Calabi Yau
(Théorie des cordes)
Les particules que l'on considérait comme élémentaires, se sont avérées en fait constituées de particules plus petites, constituant les ultimes briques de construction de la Nature. Longtemps considéré comme l'élément constitutif de base, l'atome, par étymologie " qui ne peut pas être coupé ", est en fait constitué d'un noyau et d'électrons, gravitant autour du noyau. Quatre nombres quantiques suffiront à donner une individualité à l'électron. D'un électron à l'autre, il faut qu'il y ait au moins une différence dans un nombre quantique. C'est grâce à cette différence que l'électron aura son rôle bien fixé dans l'atome. Le noyau est constitué d'un proton  et d'un neutron. Chaque proton et chaque neutron comportent chacun trois quarks qui comportent chacun au moins 6 saveurs, chacune des saveurs pouvant avoir elle-même une couleur rouge, verte et bleue. Il s'agit en fait de longueurs d'onde, beaucoup plus petites que la lumière visible. Aux frontières ultimes ( ?) de la matière, toutes les particules sont en fait des ondes. Plus grande sera l'énergie de la particule, plus petite sera la longueur d'onde correspondante. Pour Bachelard, corpuscules et ondes doivent rester des images et ne pas prétendre refléter la réalité. Le corpuscule et l'onde ne sont pas des choses liées par des mécanismes. Leur association est davantage de l'ordre du concept mathématique, l'onde apparaissant comme une probabilité de présence pour des corpuscules.  " Sur le plan de l'être, la matière est de l'énergie et réciproquement l'énergie est de la matière. "

D'autres théories, comme la théorie de Paul Dirac, combinent mécanique quantique et Théorie de la Relativité restreinte. Les particules ont leurs caractéristiques et l'on distingue des particules de spin1/2, constituant la matière de l'Univers, et les particules de spin 0, 1 et 2 qui sont des forces agissant entre les particules de matière. Toute particule a son anti-particule, tel que le positron ou anti électron.

Les particules agiraient en support de force, correspondant à quatre types de force ou à quatre aspects différents d'une force unique. La force gravitationnelle serait le fait de particules de spin 2, appelées gravitrons. La force électromagnétique serait rapportée à des particules virtuelles, sans masse, de spin 1, les photons. Les photons peuvent être libérés par le saut d'un électron d'une orbite vers une autre ou au contraire être absorbés et leur énergie utilisée. La radio activité faible est en relation avec des particules de spin ½. Enfin, l'interaction nucléaire forte, impliquant des particules de spin 1, les gluons, qui interagissent avec eux-mêmes et avec les quarks de différentes couleurs pour former des " anneaux " de gluons. Un triplet de quarks constitue un proton ou un neutron. Il existe des particules anti quarks, appelées les mésons.

En physique, le vide n'est jamais vide. En permanence des particules se forment, disparaissent ou se transforment. Au nombre de ces particules figurerait le boson de Higgs. Cette particule fugitive expliquerait la masse de toutes les autres particules comme le démontre Alain Connes par la procédure de calcul différentiel propre à la géométrie non commutative. La masse prédite par Alain Connes pour cette particule correspond approximativement aux estimations faites par tous les autres modèles. On attend du futur accélérateur de particules du CERN, qui effectuera ses premières collisions en 2007, qu'il apporte la preuve de l'existence du boson.

Au niveau des formes les plus élémentaires de la matière, on retrouve les forces à l'œuvre dans tout l'univers, jusque dans l'infiniment grand. On ne peut qu'être frappé par la similitude d'un électron tournant autour du noyau d'un atome et d'une planète tournant autour d'un astre. On y retrouve les formes primordiales, le globe, et la symétrie, comme le résultat de forces ?

Une tentative de relier la force électromagnétique à la radioactivité faible et aux interactions nucléaires fortes à conduit à la théorie de la grande unification " (GUT) préambule à une théorie qui réunirait les 4 grandes forces totalement unifiées. L'énergie de grande unification est estimée de l'ordre du milliard de millions de Gev quand les accélérateurs de particules actuels, type CERN, produisent des énergies de l'ordre de la centaine et pour les plus récentes du millier de Gev.

Les chiffres de l'infiniment petit donnent le tournis. Ainsi la durée de vie d'un proton est estimée à dix mille milliards, de milliards, de milliards d'année soit un suivit de 31 zéro. Ceci est proprement inimaginable car nous ne sommes pas capables de descendre par l'imagination plus bas que par la sensation, sans recourir à un anthropomorphisme pour expliciter ce qui sort du domaine de la perception.

L'unité de l'univers semble un fait acquis et toutes les galaxies sont composées de quarks aboutissant à des structures plus ou moins différenciées. Les plus élaborées ( ?) correspondant à l'apparition de la vie et d'êtres dotés de conscience constitue probablement une exception (ou l'une des exceptions) dans l'univers tant la probabilité d'y parvenir semble infinitésimale.

L'espace au niveau de l'infiniment petit, aux limites de la matière, est constitué de particules et d'ondes.

La matière qui produit des impressions sur nos sens n'est réellement qu'une grande concentration d'énergie dans des espaces très petits. Nous pourrions donc regarder la matière comme constituée des régions de l'espace où le champ est extrêmement intense ". " Il n'y aurait pas de place ", dans cette Physique du champ, " pour le champ et pour la matière, car le champ y serait la seule réalité " écrivait Einstein. Le champ est dans l'espace et n'est donc pas l'espace. " Les propriétés métriques du continuum espace-temps… sont conditionnées par la matière qui se trouve en dehors de la région considérée ".

Ce sont les mêmes forces qui vont régler le ballet des planètes et des galaxies. A l'autre extrémité des échelles de temps et de dimension, l'infiniment grand rejoint l'infiniment petit dans l'invisible, dans des espaces où seul la Science ose s'aventurer, dans un univers qui s'étend à mesure que s'écoule le temps.
               
L'infiniment petit est comme
L'infiniment grand
Dans l'oubli total des objets
L'infiniment grand est pareil à l'infiniment petit,
Lorsque l'œil n'aperçoit plus de limite.


Poème de Seng Can ( mort en 606 ? )
Xing Xing Ming
Traduction de  L. Wang et Jacques Masui

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