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19 novembre 2018 1 19 /11 /novembre /2018 07:53

Il y a un pépin au bord de l’univers qui pourrait amener à reconsidérer la physique.

Ceci est le titre d’un article de Michael Brooks, que je soumets à votre réflexion car il souligne la fragilité des valeurs sur lesquelles nos modèles standards physiques sont bâtis. Fragiles, parce qu’on ne sait toujours pas : « pourquoi ces valeurs plutôt que d’autres ? » et l’explication anthropique n’étant plus acceptable actuellement, la théorie du multivers offre, entre autres, une réponse à cette question.

Un nombre mystérieux détermine comment la physique, la chimie et la biologie fonctionnent. Mais des indices expérimentaux controversés suggèrent que ce n'est pas un nombre du tout.

Ce nombre c’est α : la constante de structure fine = e2/hc (α s’exprime selon cette égalité moyennant un certain nombre de conventions unanimement acceptées, e représente la charge de l’électron, h est la constante de Planck/2π et c est la vitesse de la lumière). La constante de structure fine étant sans dimension, son existence même implique l'existence d'un mécanisme sous-jacent fixant sa valeur, et depuis les années 1920, donner une explication à cette valeur a été un défi lancé à la physique moderne et l'énigme reste toujours entière à ce jour. En électrodynamique quantique, la constante de structure fine joue le rôle de constante de couplage, représentant la force d'interaction électromagnétique et décrit les interactions entre la lumière et la matière. Sa valeur :  0.00729735 à quelque chose près = 1/137 nombre sans dimension ne peut pas être prédite par la théorie mais seulement déterminée par des résultats expérimentaux.

Si on change ce nombre d’un petit brin on change l'univers. Si on l’augmente trop, les protons se repoussent si fortement que les petits noyaux atomiques ne peuvent pas tenir ensemble. Si on l’augmente encore un peu plus, alors la fusion nucléaire à l'intérieur des étoiles ne peut plus produire du carbone, l'élément sur lequel la vie est basée. Rendre α beaucoup plus petit, et les liaisons moléculaires s'effondrent à des températures plus basses, altérant ainsi de nombreux processus essentiels à la vie.

Ce problème ne se pose pas uniquement pour α mais cela concerne 19 nombres pour définir le modèle standard de la physique des particules dont parmi la poignée de ces constantes : la masse du boson de Higgs, et une foule d'autres caractérisant les masses particulaires et les forces d'interaction. Ces constantes s’imposent dans la théorie, et nous devons injecter ces nombres arbitraires, ils sont juste là et, essentiels, nous les évaluons par l’expérience.

De plus, le modèle standard de la cosmologie nécessite 12 autres paramètres, y compris la constante de Hubble, qui décrit le taux d'expansion de l'univers, et les facteurs en rapport avec la matière noire et la densité d’énergie sombre.

Sur terre, au moins, alpha se maintient dans des limites strictes. Les expériences de laboratoire montrent qu’au plus elle pourrait varier de quelques parties par 10 milliards. Cela est 100 000 fois plus précis que G : la constante de Newton.

Dès 1937, Paul Dirac (1902-1984) avait formulé l’hypothèse que α aurait pu varier au cours du temps cosmologique. Peut-être que les interactions électromagnétiques étaient plus faibles ou plus fortes dans le passé ou encore sont-elles présentement différentes dans certaines parties distantes de l’univers ? La question se pose puisqu’actuellement les physiciens semblent avoir atteint une impasse dans leurs efforts pour dévoiler des vérités plus profondes à propos de la réalité. En conséquence si on mesurait une variation de α cela ouvrirait la voie pour une nouvelle physique (sic).

« Dans ce cas cela pourrait inclure, par exemple, la présence de dimensions supplémentaires. La théorie des cordes, un pari bien sauvegardé pour une théorie de la physique de la prochaine génération (sic), propose l'existence de minuscules dimensions bouclées que nous ne pouvons pas voir. Mais elles ont des effets sur des choses comme alpha. L'état des quantités que nous appelons des constantes est quelque peu dégradé si vous croyez qu'il y a des dimensions supplémentaires, dit le cosmologue John Barrow à l'Université de Cambridge. "S'il y a vraiment neuf ou dix dimensions de l'espace, avec seulement trois grandes, alors les vraies constantes immuables de la nature vivent dans le nombre total de dimensions et les ombres tridimensionnelles que nous observons ne sont pas de vraies constantes (sic)."

Pour le physicien John Webb, la possibilité d'un alpha variable est devenue une question quasi-obsessionnelle depuis deux décennies. Depuis 1996, il tente de trouver une réponse en se demandant si la lumière recueillie par certains de nos plus puissants télescopes serait capable de régler cette question. Plus récemment, les avancées technologiques ont rendu possible l'évaluation de α  α {\displaystyle \alpha } à une plus grande distance et avec une meilleure précision. En 1999, l'équipe de John K. Webb de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud a affirmé avoir détecté une variation de α. α {\displaystyle \alpha } . ;. En utilisant les télescopes Keck (Île d’Hawaï) et une série de données sur 128 quasars avec un décalage vers le rouge de 0,5 < z < 3, Webb et al ont trouvé[1] que les spectres correspondaient à une faible augmentation relative de α = -0,57 + ou – 0,1×10α {\displaystyle \alpha } -5 sur 10-12 milliards d'années. Δ α α   = d e f   α t h e n − α n o w α n o w = − 0 , 57 ± 0 , 10 × 10 − 5 {\displaystyle {\frac {\Delta \alpha }{\alpha }}\ {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\ {\frac {\alpha _{\mathrm {then} }-\alpha _{\mathrm {now} }}{\alpha _{\mathrm {now} }}}=-0{,}57\pm 0{,}10\times 10^{-5}}

Une étude plus récente de 23 systèmes absorbants de raies spectrales menée par Chand et al en utilisant le Very Large Télescope montre qu'il n'y a aucune variation mesurable.

John Webb a accès maintenant au VLT et dorénavant il prétend avoir le résultat suivant au sujet de α : sa valeur change graduellement et approximativement linéairement avec la distance de la terre. « Si nous parcourons une distance correspondant à la distance que la lumière a parcouru depuis le Big Bang, nous nous trouvons dans une partie de l'univers où la physique commence tout juste à être sensiblement différente », dit Webb. L'univers a été en expansion depuis le Big Bang, cependant, de sorte que le cosmos s'étend encore plus loin que cela. La progression linéaire suggère que dans ces régions invisibles, alpha pourrait varier assez au point que l'univers lui-même commence à apparaître très différent. « C'est peut-être si différent que la vie telle que nous la connaissons ne peut pas exister », nous dit Webb.Δ α α e m = − 0 , 6 ± 0 , 6 × 10 – 6 {\displaystyle {\frac {\Delta \alpha }{\alpha _{\mathrm {em} }}}=-0{,}6\pm 0{,}6\times 10^{-6}}

Pour dépasser ce stade de l’incertitude et de la spéculation, il est prévu que d’ici la fin 2019, soit installé et fonctionnel un nouvel instrument : ‘EXPRESSO’ (Echelle Spectrograph for Rocky Exoplanet and Stable Spectroscopic Observation) sur le VLT. Etant donné le niveau de la performance attendu de cet instrument, l’observation de la variation significative d’α depuis le Big Bang sera tranchée et à partir de cette connaissance nouvelle, si elle s’impose, effectivement une nouvelle physique pourra surgir. 

            P.S. Je vous dois un mea culpa. Dans le précédent article du 14/11/ j’aurai dû rappeler que le physicien Roger Penrose pense avoir trouvé une preuve de son modèle de « cosmologie cyclique conforme ». Des « points de Hawking » seraient visibles dans le rayonnement fossile, témoignant de l'évaporation de trous noirs supermassifs survenue avant le Big Bang, dans un monde qui aurait précédé le nôtre.

L’hypothèse de l’empreinte d’un univers du multivers ou du multivers lui-même, dans le rayonnement fossile est proposée par d’autres physiciens. Tout cela est très ténu, raison de plus pour que je ne permette pas d’accroitre pour vous la fragilité de ces hypothèses très avant-gardistes.

 

[1] Durant son voyage vers la terre une partie de la lumière émise, il y a 12 milliards d’années, par des noyaux de galaxies extrêmement lumineux ou quasars, a traversé des nuages de gaz qui absorbent certaines longueurs d'ondes. Cela donne un moyen d’évaluation crucial de la valeur d’alpha : « Si vous changez alpha, vous changez le degré d'attraction entre l'électron et le noyau. », dit Webb. Cela change les longueurs des ondes absorbées par un atome donné - ce qui signifie que le spectre d'absorption crée une sorte de code-barres unique correspondant à la valeur d'alpha lorsque le spectre a été créé. »

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