Par-delà le visible

La réalité du monde physique et la gravité quantique

Carlo Rovelli

• Éditeur: Odile Jacob
• Année: 2015
• Imprimer l'ISBN: 9782738132154
• ISBN de l'eBook: 9782738167910
• Sujet: Scienze fisiche
• Sujet: Cosmologia

Pionnier dans l'étude de la gravité quantique, Carlo Rovelli propose dans ce livre une vaste fresque des grandes avancées de la physique. Des atomes de Démocrite aux « atomes d'espace », de la chaleur des trous noirs aux hypothèses sur le rôle de l'information dans notre perception de la réalité, il nous guide, sans aucune équation, sur le fascinant chemin des grandes théories – physique quantique, relativité générale – qui ont changé notre vision du monde et nous ont dévoilé, par-delà le visible, une autre réalité. Atomes, quanta et espace-temps courbe mènent le lecteur vers l'étrange image du réel suggérée par la physique d'aujourd'hui : celle d'un monde sans espace ni temps, ni énergie. Seulement un fourmillement probabiliste de quanta élémentaires qui, dans leur danse folle, dessinent l'espace, le temps, la matière et la lumière. C'est la trame d'un nouveau regard sur la réalité qui se révèle sous la plume d'un merveilleux conteur. Carlo Rovelli, physicien et historien des sciences, membre senior de l'Institut universitaire de France, est l'un des pères, internationalement reconnu, de la « gravité quantique à boucles », théorie qui cherche à comprendre l'intérieur des trous noirs et les tout premiers instants de l'Univers. Il dirige le groupe de recherche en gravité quantique au Centre de physique théorique de Marseille-Luminy. 

DEUXIÈME PARTIE

LE DÉBUT DE LA RÉVOLUTION

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CHAPITRE 3

Albert

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Le père d’Albert Einstein vendait des centrales électriques en Italie. Au temps où Albert était un jeune adolescent, les équations de Maxwell n’avaient été écrites que depuis deux décennies, mais en Italie c’était déjà le début de la révolution industrielle, et les turbines et les transformateurs que commercialisait son père étaient tous fondés sur ces équations. La nouvelle physique montrait ses muscles…

Albert avait un caractère rebelle. Ses parents l’avaient mis au lycée en Allemagne, mais il trouvait pour sa part l’école allemande trop rigide, obtuse et martiale ; entré en conflit avec l’autorité scolaire, il avait abandonné ses études et suivi ses parents en Italie, à Pavie, passant son temps à baguenauder. Les parents comprennent rarement que la flânerie des adolescents est le temps le mieux employé dans l’absolu. Puis il était allé étudier en Suisse, sans d’abord parvenir à intégrer l’École polytechnique de Zurich, comme il l’aurait voulu. Au terme de ses études, il n’avait pas réussi à décrocher un poste à l’université ; aussi, pour pouvoir vivre avec la femme qu’il aimait, avait-il dû trouver un emploi au bureau des brevets de Berne.

Ce n’était pas un métier très gratifiant pour un docteur en physique à l’époque, mais cela laissait à Albert du temps pour penser et pour travailler. D’ailleurs, c’est ce qu’il faisait depuis l’adolescence : au lieu de s’occuper de ce qu’on lui enseignait à l’école, il lisait les Éléments d’Euclide et la Critique de la raison pure de Kant.

À 25 ans, Einstein rédige trois articles qu’il envoie aux Annalen der Physik. Chacun des trois aurait mérité un Nobel. Chacun des trois est un pilier absolu de notre compréhension actuelle du monde. J’ai déjà parlé du premier article : le jeune Albert y calcule la dimension des atomes et prouve, vingt-trois siècles plus tard, l’exactitude des idées de Démocrite : la matière est bien constituée d’atomes.

Le deuxième article est celui pour lequel Einstein est le plus connu : l’article par lequel il introduit la théorie de la relativité, et c’est à la théorie de la relativité que ce chapitre est consacré.

À vrai dire, on compte deux théories de la relativité. L’enveloppe qu’a envoyée Einstein à 25 ans contenait la présentation de la première : la théorie qu’on appelle aujourd’hui « relativité restreinte ». La relativité restreinte est un éclaircissement important de la structure de l’espace et du temps, que je vais illustrer avant de passer à la plus grande théorie d’Einstein : la relativité générale.

La relativité restreinte est subtile et conceptuellement difficile. Je crois même qu’elle est plus difficile à assimiler que la relativité générale. Que le lecteur ne se décourage pas si le prochain petit chapitre lui semble un peu difficile. Les notions qu’il introduit montrent, pour la première fois, que dans la vision newtonienne du monde il n’y a pas seulement quelque chose qui manque ; il y a aussi quelque chose qui, si nous voulons comprendre le monde, doit être modifié radicalement, et d’une manière qui va à l’encontre de nos habitudes de pensée. C’est le premier vrai plongeon dans la modification des conceptions les plus intuitives.

Le présent étendu

Les théories de Newton et de Maxwell semblent montrer de subtiles contradictions entre elles. Les équations de Maxwell déterminent une vitesse : la vitesse de la lumière. Mais la mécanique de Newton n’est pas compatible avec l’existence d’une vitesse fixe, car ce qui entre dans les équations de Newton c’est toujours l’accélération et non la vitesse. Dans la physique de Newton, la vitesse est toujours vitesse d’un objet par rapport à un autre. C’est Galilée qui avait souligné le fait que la Terre peut se mouvoir sans même que nous nous en apercevions, car ce que nous appelons vitesse, c’est toujours une vitesse « par rapport à la Terre ». La vitesse, dit-on, est un concept relatif. La vitesse d’un objet n’existe pas en soi. Voilà ce qu’on enseignait aux étudiants en physique au XIX^e siècle. Mais, s’il en est ainsi, la vitesse de la lumière que déterminent les équations de Maxwell est vitesse par rapport à quoi ?

Une possibilité, c’est qu’il y ait une espèce de substrat universel par rapport auquel la lumière se déplace à cette vitesse. Mais, concrètement, on ne comprend pas quels effets aurait alors ce substrat, car, quoi qu’il en soit, les prévisions de la théorie de Maxwell semblent indépendantes de lui. En particulier, les tentatives expérimentales, effectuées à la fin du XIX^e siècle, d’utiliser la lumière pour mesurer la vitesse de la Terre dans l’espace par rapport à cet hypothétique substrat ont toutes échoué.

Einstein a affirmé que ce ne sont pas des expérimentations particulières qui l’ont mis sur la bonne voie pour résoudre cette énigme mais, plus simplement, le fait de réfléchir sur la relation entre les équations de Maxwell et la mécanique de Newton, et de se demander si, après tout, la théorie de Maxwell ne pouvait pas être cohérente avec le cœur des découvertes de Newton et de Galilée, c’est-à-dire le fait que la vitesse est une notion relative.

En partant de considérations de ce genre, Einstein arrive à une découverte stupéfiante. Pour comprendre de quoi il s’agit, cher lecteur, pense à tous les faits passés, présents et futurs par rapport au moment où tu es en train de lire, et imagine-les disposés comme à la figure 3.1.

Eh bien, la découverte d’Einstein est que ce dessin est erroné. En réalité, les choses sont comme le montre la figure 3.2.

Figure 3.1. Espace et temps avant Einstein.

Figure 3.2. La structure de l’« espace-temps ». Pour chaque observateur, le « présent étendu » est la zone intermédiaire entre le passé et le futur.

Entre le passé et le futur de chaque événement (par exemple, entre le passé et le futur pour toi, là où tu es, et au moment précis où tu es à présent en train de lire), il existe une « zone intermédiaire », un « présent étendu », une zone qui n’est ni passée ni future. Telle est la théorie de la relativité restreinte.

La durée de cette « zone intermédiaire1 », qui n’est ni passée ni future par rapport à toi à présent, est très petite et dépend de la distance par rapport à toi, comme le montre la figure 3.2 : plus elle est éloignée de toi, plus longue est sa durée. À 2 mètres de distance de ton nez, lecteur, la durée de ce qui est pour toi la « zone intermédiaire », ni passée ni future, est de quelques nanosecondes, c’est-à-dire d’un milliardième de seconde : un rien. Bien moins que ce que nous pouvons percevoir (le nombre de nanosecondes que comprend une seconde est égal au nombre de secondes que l’on compte en trente ans). De l’autre côté de l’océan par rapport à toi, la durée de cette « zone intermédiaire » est un millième de seconde, bien loin encore de notre seuil de perception du temps, c’est-à-dire du temps minimal que nous parvenons à distinguer grâce à nos sens, qui est de l’ordre de quelques dixièmes de seconde. Mais, sur la Lune, la durée du présent étendu est de quelques secondes et, sur Mars, d’un quart d’heure. Cela signifie que nous pouvons dire que sur Mars il y a des événements qui, en ce moment précis, se sont déjà produits, d’autres qui doivent encore se produire, mais aussi un quart d’heure durant lequel se produisent des événements qui pour nous ne sont ni passés ni futurs.

Ils sont quelque chose d’autre. De ce quelque chose d’autre, nous ne nous étions jamais aperçus auparavant, parce que, tout près de nous, ce quelque chose d’autre dure trop peu, et que nous ne sommes pas assez mentalement vifs pour le remarquer. Mais il existe bel et bien.

C’est pour cela qu’il n’est pas possible d’avoir une conversation satisfaisante avec Mars. Si je suis sur Mars alors que tu es ici, je te pose une question, tu me réponds dès que tu entends ce que je t’ai dit, et ta réponse me parvient un quart d’heure après que je t’ai posé la question. Ce quart d’heure pour moi est du temps qui n’est ni du passé ni du futur par rapport au moment où tu m’as répondu. Le point clé, qu’a compris Einstein, est que ce quart d’heure est inéluctable : impossible de le réduire. Il est inscrit dans la structure de l’espace et du temps : on ne peut pas le réduire, de la même façon qu’on ne peut pas envoyer une lettre dans le passé.

C’est bizarre, mais...

Table des matières

• Couverture
• Titre
• Copyright
• Préambule - En marchant au bord de la mer
• Première partie - Racines
• Deuxième partie - Le début de la révolution
• Troisième partie - Espace quantique et temps relationnel
• Quatrième partie - Au-delà de l’espace et du temps
• Bibliographie commentée
• Index analytique
• Table
• Du même auteur