Archives mensuelles : novembre 2007

Une Théorie du Tout Exceptionnellement Simple

Au début du mois de Novembre, Anthony Garrett Lisi, un « surfer snowboarder physicien à temps partiel » prétend avoir trouvé une théorie du tout qui marcherait. Le titre : An Exceptionally Simple Theory of Everything : http://arxiv.org/pdf/0711.0770


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Depuis plus de 50 ans, les physiciens ont un rêve : unifier toutes les lois de la physique dans une seule et même théorie : une Théorie de Grande Unification (Theory of Everything en anglais). Je rappelle que l’étymologie du mot « physique » nous renseigne précisément sur son objectif : expliquer la Science de la nature.

A ce jour, la description de la nature qui nous entoure fait appel à 2 grandes théories ayant des champs d’application bien distincts (la relativité et la physique quantique) qui sont supportées par les 4 interactions fondamentales, à savoir la gravité (les pommes tombent des arbres), la force électromagnétique (les charges électriques opposées s’attirent), la force nucléaire forte (cohésion des noyaux atomiques) et la force nucléaire faible (ou encore interaction faible qui explique la radioactivité). Le but d’une théorie ultime est de pouvoir expliquer à partir des mêmes équations ces 4 interactions en rendant compte de la relativité générale et restreinte ainsi que de la physique
quantique.

La relativité restreinted’Einstein explique les phénomènes macroscopiques qui régissent notre Univers. Elle introduit l’idée d’espace-temps et définit une équivalence entre masse et énergie en utilisant la vitesse de la lumière comme constante indépassable (le fameux E=mc²). La relativité générale, quant à elle est une théorie relativiste de la gravitation où toute masse dans l’Univers courbe l’espace-temps.

La physique quantique nous permet de décrire tous les comportements de la matière à l’échelle des particules. C’est elle qui fixe les règles du jeux dans l’infiniment petit, et dieu sait si ces règles sont bien différentes de celles de la relativité.

De nombreuses théories ont tenté d’unifier ces théories et ces interactions durant le vingtième siècle. Il y a eu des succès comme la théorie électrofaible qui a unifié l’électromagnétisme et la force nucléaire faible ou bien l’électrodynamique quantique relativiste qui unifie la mécanique quantique et l’électromagnétisme. Ces 2 théories d’unification ont d’ailleurs été récompensées par un prix Nobel chacune (1979 et 1965).

Mais depuis, rien de vraiment sérieux. Il y a toutes les théories qui sont à la mode comme la théorie des supercordes (qui unifierait les 4 interactions) et la théorie de la gravitation quantique à boucles (qui unifierait la physique quantique et la relativité) mais aucune des théories candidates n’a jamais réussi à tout rassembler. Notez que j’utilise des conditionnels car ces théories n’ont jamais été prouvées expérimentalement et n’ont jamais pu faire de prédictions pertinentes sur des phénomènes observables avec nos moyens actuels.

La Théorie du Tout Exceptionnellement Simple de Anthony Garrett Lisi peut faire rire par son nom et de nombreux physiciens ont eu cette réaction mais cela fait déjà plusieurs semaines qu’il a publié son papier sur Internet et personne n’a encore réussi à « casser » sa théorie.

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Cependant, les avis sont (très) partagés. Surtout parce que Anthony Garrett Lisi, américain de 39ans, a obtenu son doctorat de physique il y a 10 ans aux Etats-Unis et depuis, il est parti à Hawaï pour vivre sa passion : le Surf. Il a développé sa théorie depuis une dizaine d’années dans son coin tout seul entre deux rouleaux sur son île. Il faisait des petits boulots pour vivre et avait une bourse par une fondation privée, la Foundational Questions in Physics and Cosmology (FQXi).

Carlo Revelli, du Centre de physique théorique de Marseille disait au journal le Monde : « Quand j’ai commencé à lire l’article, j’étais sceptique. Quand j’ai eu fini, je me suis demandé pourquoi je n’en avais pas eu l’idée avant ». Pour le physicien Lee Smolin, père de la gravitation quantique à boucles, c’est « une nouvelle et très intéressante idée sur l’unification de la physique » et David Ritz Finkelstein (Georgia Institute of Technology) pense « que cela doit être plus qu’une coïncidence et qu’il touche vraiment à quelque chose de profond ».

En revanche, le journal le Monde stipule encore que Thibault Damour (Institut des hautes études scientifiques) y voit une « coquille vide »« rien n’est défini avec précision et [où] ce qui est défini semble faux ». Quant à Jean Iliopoulos (Ecole normale supérieure), il estime que « tout ce qui est intéressant dans cet article est bien connu depuis longtemps ». Pour Alvaro De Rujula (CERN), « c’est élégant et joli, mais bien loin encore d’être une contribution solide qui fasse penser à Einstein ».

Bref, deux possibilités : soit ce surfer physicien qui se qualifie de « hédoniste contemplatif » est le nouvel Einstein du 21ième siècle, soit c’est encore une belle théorie sur le papier où les mathématiques vont bien mais où ça coince sur les observations. Dans ce domaine, il faut être patient, la Science a parfois raison de prendre un peu son temps. Si personnes ne s’opposait à cette théorie, il y aurait de quoi se poser des questions… Après tout, tous les grands scientifiques ont été confrontés aux réticences de leurs pairs !

Pour vous faire une idée, je vous laisse consulter le papier : http://arxiv.org/pdf/0711.0770

L’avenir nous dira ce que vaut cette “belle et simple

Les ordres de grandeur

Une expression que l’on retrouve souvent en science (order of magnitude en anglais).

Dans le langage courant, un ordre de grandeur est simplement l’approximation grossière d’une grandeur quelconque. Par exemple, la température en France est de l’ordre de  15°C.

– En science, un ordre de grandeur représente une puissance de 10. L’ordre de grandeur de la distance Terre-Lune est de 108 mètres car la distance Terre-Lune est de 384 000 km (100 000 kilomètres = 100 000 000 mètres =108 mètres). L’ordre de grandeur du diamètre d’un cheveux est de 10-4 mètres car un cheveux possède un diamètre d’environ 80 microns  (je rappelle que le micron est égale à un millième de millimètre, donc100 microns = 0.0001 mètres = 10-4 mètre).
 

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En physique, lorsque l’on s’intéresse à l’infiniment grand ou l’infiniment petit, il est plus aisé de manipuler des ordres de grandeur plutôt que des nombres. Cette méthode ne fournit pas de résultats justes mais elle a le mérite de pouvoir conforter certaines théories qui calculent une grandeur dont nous n’avons aucun à-priori. Dans l’infiniment grand (ou petit), on peut obtenir facilement des puissances de 10 avec 2 chiffres en exposant (supérieurs à 1010 ) et ces nombres sont si gigantesques ou si minuscules qu’ils ne signifient plus rien pour notre sens commun. Les ordres de grandeurs permettent de fixer des limites et de voir si un résultat physique dérivant d’une théorie est crédible.

Par exemple, le modèle d’Univers fini de Friedmann permet de calculer facilement le nombre d’atomes dans l’Univers et ce modèle donne comme résultat 0,5×1081 atomes. Vérifions si ce nombre, sans doute le plus grand jamais produit par la physique, est plausible…

Voici comment compter le nombre d’atomes dans l’Univers (observable) de tête en moins de deux minutes avec des ordres de grandeurs :

Les astronomes estiment dans notre Univers observable le nombre de galaxies à 1011 et une galaxie moyenne comme la notre est composée d’environ 1011 étoiles. Notre Soleil est une étoile de taille moyenne et sa masse est de l’ordre de 1033 grammes. De plus nous savons que la majorité des atomes (et donc de la masse) sont des atomes d’hydrogène et dans un gramme d’hydrogène, il y a environ 1024 atomes.

Nous obtenons donc un ordre de grandeur de 1011×1011×1033×1024 = 1079 atomes dans notre Univers, ce qui conforte l’idée que le nombre obtenu avec le modèle de Friedmann est plausible. Nous pouvons donc dire sans trop de tromper « Le nombre d’atomes dans l’Univers est de l’ordre de 1080 atomes »

Je me suis toujours demander : Y a t-il une borne inférieure et une borne supérieure aux grandeurs physiques ?

Bien évidemment, cela dépend de la grandeur physique mais je me pose la question pour toutes les grandeurs confondues (en unité du Système International).

Le nombre d’atomes dans l’Univers peut constituer une limite supérieur aux ordres de grandeurs physiques à mon avis. A ma connaissance, aucun phénomène ne peut produire des grandeurs physiques supérieures.

En physique quantique, on peut également définir des bornes inférieures pour un intervalle de temps ou une longueur en utilisant les unités de Planck. Ce système d’unité est compliqué à expliquer et je n’entrerai pas dans les détails mais comme en physique quantique tout est quantifié, il y a une plus petite division possible. Cette quantification s’effectue avec ce que l’on appelle la constante de Planck (h = 6,626 10-34 J.s). On peut ainsi définir la plus petite longueur possible à partir de laquelle la gravité pourrait intervenir (la longueur de Planck, lp = 1,616 × 10-35 mètres). Certaines théorie comme la théorie ces cordes postulent que rien ne peut être inférieur à la longueur de Planck. Le plus petit intervalle de temps mesurable est naturellement définit par le temps nécessaire à un photon pour parcourir la longueur de Planck dans le vide (tp=5,391 × 10-44 secondes ). Concernant la température, la température minimale théorique est fixée par définition à 0 Kelvin. Température où plus rien ne bouge, aucune particule excitée.