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La quête d’une nouvelle physique avec le programme de ‘Physique au-delà des Collisionneurs’. (The quest for new physics with the ‘Physics Beyond Collider’ program)

Cet article que j’ai obtenu dans ‘Nature’ le 6/04, nous dit à quel point l’horizon pour une nouvelle physique est bouché tant sur le plan expérimental que théorique et en conséquence tous les indices qui pourraient servir de porte d’entrée vers cette nouvelle physique appelée sont répertoriés et analysés. L’équipe de trois physiciens qui a présenté cet article qui constitue un rapport de synthèse ne s’aventure pas au-delà d’une perspective de prolongement du modèle standard (SM). Il est ancré que l’impasse actuelle ne peut pas être due aux processus d’une accumulation de surestimations et d’extrapolations de concepts exploités dans le cadre de la théorie quantique des champs. Rebrousser chemin semble inenvisageable, on le constate en ce qui concerne les neutrinos qui sont toujours affublés d’attributs puisés dans le vivier, pour eux étriqué, du SM, comme par exemple d’une masse d’inertie alors que selon ma conviction les neutrinos sont les vecteurs d’une physique autre que celle qui contribue à caractériser le SM. Cet article est intéressant car en creux il nous permet d’évaluer tout le chemin qui reste à parcourir.

Je n’ai pas traduit toute la partie de l’article qui indique tous les sites expérimentaux qui permettraient de mener des expériences pour résoudre les inconnues citées ci-après. Ce que je peux vous dire c’est que quelques-unes ont été déjà réalisées et ont donné des résultats négatifs dans les limites des précisions des résultats expérimentaux.

            Présentation

Ces dernières années, l’intérêt pour les méthodes complémentaires pour les collisionneurs à haute-énergie-frontière pour étudier la physique des particules élémentaires et des forces a augmenté. Ce développement est motivé par les résultats négatifs jusqu’à présent des recherches de nouvelles particules avec de fortes masses au Grand collisionneur de hadrons, et par des tentatives théoriques de rendre compte des masses de neutrinos et de résoudre des énigmes cosmologiques telles que la matière noire, l’énergie sombre et l’asymétrie de la matière-antimatière dans l’Univers. Traditionnellement, le CERN a accueilli une multitude de projets d’accélérateur et de non-accélérateur sous la frontière de haute énergie, dans lequel plus d’un millier de physiciens sont actuellement impliqués. L’étude Physics Beyond Colliders (PBC) a été lancée il y a trois ans pour explorer l’avenir de ce domaine. Nous donnons ici un aperçu des diverses propositions de la PBC, allant de l’exploration du secteur obscur aux mesures de précision des processus fortement interactifs. La méthodologie utilisée pour comparer la portée de ces projets — basée sur un ensemble de modèles de référence communs — a suscité l’intérêt pour les communautés tout autant des collisionneurs, des neutrinos, ainsi que des non-accélérateurs et peut fournir un aperçu complet de la façon dont la plage des paramètres pour la physique au-delà du Modèle Standard devrait être explorée dans le contexte mondial.

            Principalement

La physique des particules fondamentales se trouve actuellement dans la position intéressante d’être absolument certaine qu’il doit y avoir une physique au-delà du Modèle Standard actuel (SM), décrivant les particules élémentaires et les forces faibles, électromagnétiques et fortes, tandis qu’en même temps elle fait face au défi qu’il semble extrêmement difficile de trouver cet au-delà. Des preuves convaincantes de la cosmologie suggèrent que 95% de toute la matière et l’énergie dans l’Univers se compose de matière noire (DM) et d’énergie sombre, non décrites au sein du SM, bien que la grande majorité des expériences sur Terre sont en accord avec une précision étonnante avec les prédictions du SM. Il existe deux façons de concilier au-delà de la physique du Modèle standard (Beyond Standard Model : BSM) avec une non-observation dans les expériences actuelles : « les nouvelles particules pourraient être soit très massives, soit très faiblement interactives avec le SM »

Motivations théoriques

Avant sa découverte, la masse boson de Higgs était attendue dans la fourchette autour de 100-1.000 GeV sur la base des considérations de cohérence du SM à des énergies supérieures à 1 TeV (réf. 5). La situation a maintenant fondamentalement changé parce que le SM, avec le boson de Higgs d’environ 125 GeV, ne donne aucune indication claire de l’endroit où la nouvelle physique pourrait être trouvée. La quête de la physique BSM nécessite une vaste gamme de masses de particules et de couplages à explorer. Les collisionneurs à haute énergie tels que le Grand collisionneur de hadrons (LHC) et les machines proposées comme le collisionneur linéaire international, le collisionneur linéaire compact ou le collisionneur circulaire futur, sont cruciaux pour l’observation directe des particules putatives très massives. Des expériences complémentaires à faible énergie mais à haute intensité ou précision, comme nous l’avons vu dans le cadre du programme PBC, recherchent des particules à faible masse et à faible interaction, ou à très haute masse, ces dernières devenant accessibles grâce à leurs effets indirects sur les observables. Bien qu’il n’existe actuellement aucune preuve décisive de déviations de la part du SM dans le cadre d’expériences de haute intensité ou de précision, quelques indices significatifs nécessitent une enquête plus approfondie.

Les énigmes cosmologiques, ainsi que les anomalies actuelles, pourraient s’expliquer par l’existence d’un secteur sombre — de nouvelles « particules cachées » qui ne portent aucune charge de jauge du SM et qui interagissent donc faiblement avec la matière ordinaire, ou/et qui vivent très longtemps. Dans le cadre de l’étude PBC, un ensemble de modèles de référence représentant des extensions prospectées et bien motivées du SM ont été définis. Ces modèles sont basés sur l’idée de portails vers un secteur sombre qui sont les interactions les plus simples entre les particules SM et les nouvelles particules cachées. En particulier, l’étude PBC se concentre sur les modèles suivants.

Photons noirs avec et sans particules DM supplémentaires

Les interactions du SM proviennent de trois groupes de jauge donnant lieu au photon pour l’interaction électromagnétique, les bosons W⁺ et W^- et Z⁰ pour l’interaction faible et les gluons pour l’interaction forte. Le photon est le transporteur de force le plus simple parce qu’il ne porte pas de charge et ne se couple donc pas à lui-même. Une potentielle extension minimale du SM est donc par le biais d’un « photon sombre » supplémentaire qui ne correspond pas à des particules massives de SM. En conséquence, la seule et potentielle interaction très faible du photon noir avec une particule SM est via un petit mélange avec le photon, résultant en une petite probabilité de conversion du photon noire en un photon. Cette extension, la plus simple du SM, des interactions de jauges par une additionnelle particule semblable-photon (photon-like) a beaucoup d’applications dans la construction du modèle de DM.

Leptons neutres lourds

Tous les fermions chargés du SM existent dans une version gauche et droite (naïvement, la main se réfère au sens de la rotation du spin au regard de la direction du mouvement). Les neutrinos non chargés n’ont été observés que comme particules gauches. Cependant, il semble naturel (sic) pour les neutrinos d’avoir des homologues droits. Semblable aux photons sombres, ces neutrinos droits n’interagiraient que par le biais de petits mélanges avec les neutrinos du SM. Les neutrinos droits peuvent jouer un rôle dans l’explication des petites masses de neutrinos, de la matière noire (DM), et aussi à propos de la domination de la matière sur l’antimatière dans l’Univers.

Nouvelles particules scalaires

D’une manière générale, les particules scalaires, ne portant ni spin ni charge, sont les particules les plus simples imaginables. L’interaction la plus directe de scalaires supplémentaires avec le SM serait par le mélange avec le seul autre scalaire fondamental connu, c’est-à-dire le boson de Higgs. S’ils sont couplés au boson de Higgs, d’autres scalaires pourraient être en mesure de trouver des solutions au problème dit de la hiérarchie, qui fait référence au casse-tête de la raison pour laquelle l’échelle énergétique des interactions faibles est tellement plus petite que celle de la gravité. De nouvelles particules scalaires ont également été discutées en relation avec la DM.

Axions et particules axions-semblables (axion-like)

Les axions et les particules de type axions sont des particules (pseudo-)scalaires. Contrairement aux nouveaux scalaires dont il est question ci-dessus, ils sont spéciaux en ce sens qu’ils sont considérés comme des restes d’une symétrie sous-jacente. Pour cette raison, on s’attend à ce que les axions et les particules axion-like soient légères et que leurs interactions soient fortement supprimées. Des axions ont été proposés pour expliquer la symétrie parité (miroir) de l’interaction forte, démontrée avec une grande précision par le moment du dipôle électrique (EDM) du neutron observé nul. Les particules axions-like sont également de bons portails vers la DM et sont même des candidats DM prometteurs eux-mêmes.

Bien que ces modèles de référence ne constituent pas une liste exhaustive de modèles DM et du secteur obscur, ils fournissent un moyen utile de comparer les sensibilités des différentes expériences et de voir comment ils se complètent les uns les autres. Ils fournissent également une carte des zones cibles prometteuses suggérées par les problèmes ouverts de la physique des particules et fournissent des indices actuels d’anomalies expérimentales.

En plus de la nécessité d’une nouvelle physique, il faut reconnaître que même le SM n’est pas encore entièrement compris. En particulier la théorie des interactions fortes : chromodynamique quantique (QCD)…

Anomalies comme indices potentiels pour la nouvelle physique

Un petit nombre de mesures et d’observations peuvent indiquer par exemple des écarts aux prévisions du SM au niveau de deux à quatre ‘écarts standard’ (σ). Ces indices peuvent être les premiers signes d’une découverte imminente d’une nouvelle physique et fournir une incitation attrayante pour la construction de modèles théoriques. À leur tour, ces modèles théoriques permettent alors de concevoir de nouveaux, et plus significativement, différents tests pour interpréter ces anomalies. Cependant, il est important de noter que la signification usuelle ne couvre généralement que les incertitudes statistiques et les erreurs systématiques connues. Par conséquent, des expériences indépendantes pour mesurer les quantités en question sont souhaitables pour confirmer la véracité des observations anormales. Dans ce qui suit, nous discutons brièvement des indices les plus intrigants.

Anomalies B

La désintégration des B-mésons montrent plusieurs écarts de 2 à 3 σ par rapport aux prévisions du SM. Notamment, dans le modèle SM, on s’attend à ce que le couplage de jauge des différents leptons (e, µ ou τ) soient égaux. Pourtant, les mesures indiquent une violation potentielle de cette universalité attendue. Les extensions appropriées du SM (par exemple, basées sur une théorie effective de champ) permettent une explication sans violer d’autres contraintes expérimentales.

(g - 2) du muon

La valeur du moment du dipôle magnétique du muon peut être calculée et mesurée avec une précision remarquable. Il s’agit donc d’un test de précision classique du SM. La mesure de référence indique une déviation de 3σ à 4σ par rapport aux attentes du SM (notamment les incertitudes théoriques et expérimentales sont de taille similaire). Les explications pourraient provenir de corrections quantiques dues à la faible échelle de l’ordre de 100Gev de particules avec des couplages O(1) ou avec des particules beaucoup plus légères de 10 à 100 Mev avec couplages O(10^-3). Un exemple minimal de ce dernier type — un photon noir — fournit un exemple intéressant de l’endroit où le modèle théorique a conduit à un test expérimental. Ce test a conduit à une expérience avec une cible fixe avec des collisionneurs à faible énergie a jugé que le photon noir n’était pas une explication possible. D’autres modèles simples dans ce domaine restent viables. Une nouvelle expérience prend actuellement des données au Fermilab aux États-Unis avec la promesse de réduire l’incertitude expérimentale sur (g - 2) par un facteur de quatre.

Anomalie de Béryllium

Des expériences menées à l’installation d’Atomki en Hongrie ont étudié les paires d’électron-positron émises dans la désintégration des états excités de ⁸Be et ⁴He. Dans les deux cas, ils trouvent plus d’événements que prévu à de grands angles entre l’électron et le positron. Une explication potentielle pourrait être un nouveau boson qui est émis du noyau à faible vitesse et se désintègre par la suite dans une paire électron-positron. Dans le référentiel au repos de cette particule, l’angle électron-positron serait de 180 degrés et, en raison de la faible vitesse, l’angle dans le référentiel du laboratoire ne serait que légèrement comprimé. Cela indiquerait une masse du boson de 17 MeV.

Anomalies de refroidissement

Plusieurs systèmes astrophysiques tels que les naines blanches et les étoiles à branche horizontale, ainsi que les restes de supernova, semblent refroidir légèrement plus vite que prévu. Cela pourrait indiquer une perte d’énergie supplémentaire par l’émission de particules légères extrêmement faiblement couplées, (masses inférieures à 100 keV). Si de telles particules sont produites à l’intérieur d’une étoile, elles partent immédiatement. Cela contraste avec, par exemple, les photons qui sont dispersés plusieurs fois sur leur chemin vers la surface, réduisant ainsi la perte d’énergie via cette route. Pour cette raison, des particules de lumière extrêmement faiblement couplées peuvent entraîner une perte d’énergie importante malgré une force d’interaction relativement faible.

Transparence des rayons gamma

Les rayons gamma à haute énergie qui se propagent dans l’Univers perdent de l’énergie par les collisions avec la lumière de fond extragalactique, créant ainsi des paires électron-positron. Les observations constatent qu’il y a plus de photons à haute énergie que prévu, ce qui indique un moyen de contourner ce mécanisme d’épuisement énergétique. Une option est qu’en présence de champs magnétiques, certains photons se transforment en bosons très légers, notamment en particules axions-like. Ceux-ci voyagent alors sans être absorbés par la création de paires et finalement se reconvertissent en photons.

Une nouvelle perspective sur la nature de la science est envisageable

Cet article est organisé sous forme de dialogue avec S. Weinberg, ensuite avec H. Zwirn, puis je tenterai une synthèse.

Les propos de Weinberg, je les puise dans le livre : ‘Lost in Maths’ version française du livre en anglais de Sabine Hossenfelder : ‘La beauté laide’ ou encore : ‘Comment la beauté égare la physique’, voir articles du 20/03/2018 et du 01/07/2018.

S. Weinberg né le 3 mai 1933 à New York, est un physicien américain. Il est le principal instigateur, avec Abdus Salam et Sheldon Glashow, de la théorie de l'interaction électrofaible, ce qui lui a valu de partager le prix Nobel de physique de 1979. Weinberg a travaillé sur de nombreux sujets, notamment ce qui concerne les théories d'unification (dont la théorie des supercordes), l'astrophysique et la chromodynamique quantique.

 Aujourd’hui, il est un grand témoin des problèmes historiquement posés par la mécanique quantique et S. Hossenfelder lui pose la question : « Je voulais vous demander votre avis sur les fondations de la mécanique quantique. Vous avez écrit dans votre livre qu’il est difficile de changer quoi que ce soit dans la mécanique quantique sans la compromettre dans son ensemble. »

S. Weinberg, p154 : « Oui, c’est vrai, mais nous n’avons pas de théorie vraiment satisfaisante de la mécanique quantique…Personnellement, j’en viens à la conclusion qu’il n’existe aucune interprétation de la mécanique quantique qui ne présente de graves défauts. Cet avis ne fait pas l’unanimité. En fait beaucoup de physiciens se satisfont de leur propre interprétation. Selon moi, nous devrions prendre au sérieux la possibilité que l’on découvre une autre théorie plus satisfaisante, dont la mécanique quantique n’est qu’une bonne approximation. »

Ci-après, je commente ce que nous dit Weinberg. Il nous indique qu’à propos de la mécanique quantique (M.Q.) c’est le problème de son interprétation qui se pose et non pas ses axiomes ni son formalisme. Selon moi, on ne trouvera pas une autre théorie plus satisfaisante mais c’est l’évolution de nos capacités intellectuelles au contact de la théorie actuelle que progressivement nous décryptons et décrypterons la MQ. N’oublions pas que nous sommes des êtres vivants dont nos sens, ceux qui nous permettent de concevoir du sens physique à notre échelle, sont formatés par nos rapports macroscopiques, classiques, avec la nature. En conséquence nous n’aurons jamais un rapport direct avec la nature microscopique ce n’est que par l’investissement intellectuel que ce monde naturel deviendra de plus en plus familier. L’évolution est lente mais nous intériorisons et intérioriserons de plus en plus aisément les phénomènes quantiques. Nous ne savons pas encore penser quantique (voir article du 26/09/2015 : ‘Non, on ne pense pas quantique. Pas encore !) mais l’évolution est patente[1]. Je cite : « Quand des jeunes rejoignent mon groupe, déclare Anton Zeilinger, on voit qu’ils cherchent leur chemin à tâtons dans le noir et qu’ils ne le trouvent pas intuitivement. Mais au bout d’un moment, deux ou trois mois, ils trouvent leur rythme, et ils développent cette compréhension intuitive de la MQ, et c’est vraiment très intéressant à observer. C’est comme apprendre à faire du vélo. » C’est exactement ce que j’ai observé dans mon activité d’enseignement il y a quelques années et je n’ai pas oublié ma grande difficulté de réception de la MQ quand j’étais étudiant. En contraste avec ce point de vue actuel de A. Zeilinger et celui ci-après de Freeman Dyson[2] exprimé concrètement en 1958 on évalue déjà une vraie différence : « Il ne s’agit pas de comprendre la mécanique quantique, mais de sauter le pas : accepter l’idée qu’il n’y a rien à comprendre, et apprendre à se servir du formalisme mathématique pour trouver des résultats en accord avec les faits expérimentaux. Et il ajoute qu’avec le temps, les étudiants acceptent avec une résistance décroissante d’être brisés (sic) pour consentir à cette attitude. »

En résumé nous devons considérer que les fondements de la MQ avec son formalisme mathématique définissent une scène, un contexte radicalement inédit, dans lequel l’intelligence scientifique se met à l’épreuve pour conquérir de nouveau espace de compréhension de la Nature à l’échelle quantique. C’est une évolution cérébrale de Sapiens qui est en place.

Reprenons ce que nous dit S. W. p.154-155 : « Il est très difficile de faire mieux que la MQ. Bien qu’elle ne soit pas incohérente, elle présente plusieurs caractéristiques qui nous paraissent repoussantes. Ce n’est pas le fait qu’elle contienne des probabilités. C’est le genre de probabilités qu’elle contient. » Il s’explique : « Si vous avez une théorie qui dit que les particules se déplacent et qu’il y a une certaine probabilité qu’elles aillent ici ou là, ou encore ailleurs, je peux l’admettre. Ce que je n’aime pas, dans la mécanique quantique, c’est qu’elle formalise le calcul de probabilité que les humains obtiennent quand ils procèdent à certaines interventions dans la nature que nous appelons des expériences. Or, une théorie ne devrait pas se référer aux êtres humains dans ses postulats. »

Ci-après, je commente : Avec ce type de remarque S.W. exprime, à mon sens, cet idéalisme regrettable des physiciens à l’égard du réalisme. Selon la conception majoritaire : une bonne théorie est une théorie qui n’aurait pas de source, elle serait dans l’univers sans aucune attache, elle aurait été ‘vue’ et elle serait libre de toutes déterminations. Comme je l’ai indiqué dans l’article précédent du 24/02 les résultats d’une théorie sont conformes à leur(s) paradigmes. Plus le paradigme est pertinent, puissant, précurseur, plus les résultats constituent des avancées significatives et toujours conformes. Or, avec la mécanique quantique, il n’y eut pas de paradigme préalable comme ce fut le cas avec celui de la RG et exprimé par A. Einstein. C’est par la force des choses et donc la voie empirique et pragmatique, le fait expérimental, que le formalisme de la MQ a été installé. La MQ, dans son principe n’a pas été pensée préalablement. Par exemple le caractère discret des grandeurs physiques en quantique s’est imposé aux physiciens de l’époque avec violence, il suffit de relire l’autobiographie de Max Planck et de se souvenir des tourments vécus par L. Boltzmann (1844-1906), jusqu’à son suicide. L’avènement de la mécanique quantique a provoqué un choc conceptuel a priori inacceptable puisque les fondements de la physique classique, après trois siècles de développement avec de très grand succès, étaient radicalement remis en cause.

S.W. p.155 : « Il serait souhaitable de pouvoir comprendre des choses macroscopiques, comme les appareils expérimentaux et les êtres humains selon les termes de la théorie sous-jacente. Il n’est pas souhaitable de les voir intégrés au niveau des axiomes de la théorie. »

Avec ces deux phrases S.W. exprime toute la négation de la mécanique quantique, puisque les êtres humains et en l’occurrence les appareils expérimentaux sont les moyens incontournables pour décrypter les phénomènes quantiques. La MQ est une science de l’observateur, pas d’observateur tel qu’il est, pas de mécanique quantique et je prétends que si on élimine effectivement l’intelligence humaine, alors il n’y a plus d’espace-temps car il en est le fondateur et le vecteur. La mécanique quantique est une science qui ne peut pas être en amont des capacités actuelles de l’observateur, ni de ce qu’il est. Pour l’instant l’observateur ne peut pas directement s’intégrer dans la scène de la M.Q., il ne peut être que distancié, distance qui s’atténue et s’atténuera grâce à l’apprentissage cérébrale qui est évidemment engagé. C’est pourquoi, je m’autorise à évoquer l’idée que la mécanique quantique représente actuellement un terrain particulièrement favorable à l’évolution intellectuelle humaine. En même temps, il ne faut pas sous-estimer l’inertie intellectuelle toujours très significative, voire encore majoritaire dans la communauté scientifique, concrètement exprimé par S.W. Et il y a encore d’autres obstacles qui s’opposent au plein saisissement de la perspective que je propose grâce à la mécanique quantique. A ce titre, je cite François Lurçat qui écrit dans son livre (2003) : ‘De la science à l’ignorance.’ : « Dans le débat entre Bohr et Einstein, qui se prolonge de nos jours entre leurs partisans respectifs, les deux protagonistes sont en vérité du même côté dans un débat beaucoup plus fondamental. Einstein veut sauver les fondements métaphysiques de la physique classique, tandis que Bohr veut les dépasser en les englobant dans une nouvelle synthèse ; mais ils font appel, tous deux, à la raison. Deux conceptions de l’intelligibilité s’opposent, mais précisément il s’agit, pour l’un comme pour l’autre, de comprendre. En revanche pour Dyson en 1958, et pour bien des savants jusqu’à nos jours, le but n’est plus l’intelligibilité mais simplement l’accord entre les résultats des calculs et ceux des expériences, gage de l’efficacité pratique. On comprend ainsi que les physiciens parlent désormais plus souvent de modèles que de théories : ce changement de vocabulaire exprime de manière voilée le renoncement à comprendre, et donc en définitive le remplacement de la science par une technique aveugle. » Je ne suis pas aussi pessimiste que F. Lurçat mais ce qu’il dit est effectivement présent. Exemple : avec la propriété de l’intrication qu’on ne comprend pas du tout, les applications dans les télécoms sont déjà très importantes et comme cela marche, effectivement la volonté de comprendre est de plus en plus minorée.

Maintenant, je propose d’analyser certains arguments, toujours sur la MQ, d’Hervé Zwirn qui sont développés dans le N° de ‘Pour la science’ de ce mois de Mars. Le titre de l’article est : « L’observateur, un défi pour la physique quantique » ; H. Zwirn est directeur de recherche au CNRS, physicien et épistémologue à l’IHPST à Paris et au centre de mathématiques et de leurs applications à l’ENS de Paris Saclay.

Le but d’H. Zwirn avec cet article est de proposer une explication alternative à la problématique de la mesure en quantique. En rappelant que la première explication et la plus ancienne fut établie par Bohr et Heisenberg et elle est désignée : « Interprétation de Copenhague », ensuite il y eut l’hypothèse de von Neumann et Wigner qui attribuèrent un rôle à la conscience de l’observateur responsable de la réduction du paquet d’ondes ; plus tard dans les années 1956 : H. Everett a proposé la duplication du monde en autant de mondes et d’observateurs différents qu’il existe de résultats possibles pour la mesure effectuée, c’est la « théorie des mondes multiples ». Il y eut d’autres interprétations dont celle de de Broglie-Bohm. L’explication alternative originale de Zwirn, s’intitule le « solipsisme convivial », qui s’abstient du principe de réduction du paquet d’ondes, mais qui ne suppose nullement que l’Univers se multiple en plusieurs versions à chaque mesure. Je conseille de lire directement l’article pour intérioriser cette proposition que personnellement je n’envisage pas d’adopter.

Je cite p.28 : « Le mécanisme de décohérence n'élimine donc nullement le rôle de l’observateur, puisqu’il explique comment apparaît le monde à un observateur dont les moyens sont limités, et non pas comment apparaît réellement le monde en l’absence d’un observateur.

En fait, il paraît logiquement inévitable que, sauf à modifier le cadre de la mécanique quantique usuelle, il soit impossible de définir rigoureusement et de façon strictement objective ce qu'est une mesure. L’observateur doit être pris en compte d'une manière ou d'une autre, et il semble que ce ne soit qu'au moment où un observateur prend connaissance du résultat que celui-ci se détermine.

Cela ne devrait pas paraître si choquant, après tout, la science n’est rien d’autre qu’une description du monde tel qu’ultimement il nous apparaît. Le fait que la mécanique classique qui décrit le monde macroscopique soit compatible avec l’hypothèse que le monde est « réellement » tel qu’il nous apparaît n’est pas une preuve que cela soit encore vrai dans les domaines étrangers à notre expérience quotidienne. »

Ce que je cite de l’auteur ci-dessus correspond complètement à la façon dont je reçois la mécanique quantique et je l’ai exprimé sous toutes les coutures dans de nombreux articles. Il est satisfaisant de rencontrer une conception aussi convergente. Toutefois, je pense que Zwirn est trop sibyllin quand il écrit : « il semble que ce ne soit qu'au moment où un observateur prend connaissance du résultat que celui-ci se détermine », en effet il existe une expérience qui autorise les physiciens à indiquer que dans des opérations de mesure spécifique : « Ce qui compte en quantique, ce n’est pas ce que l’on fait, mais ce que l’observateur sait. » Certes, cette expérience unique doit être dupliquée par d’autres équipes pour que son résultat soit confirmé ou éventuellement infirmé. Mais Zwirn aurait dû la citer comme je l’ai fait il y a plus de deux ans (03/07/2017 : ‘Comment la ruse quantique peut brouiller cause et effet’) pour que chacun se fasse une idée propre. C’est encore là une démonstration de l’inertie intellectuelle qui est en jeu car beaucoup de physiciens sont rebutés à l’idée d’admettre la conclusion de cette expérience. Effectivement si cette conclusion est confirmée il faudra penser le rapport entre le physicien et les faits naturels qu’il étudie d’une façon renversée. Personnellement je serais pleinement satisfait que ce paradigme en germe soit confirmé, puisque je l’appelle, et en conséquence de nouvelles avancées de la connaissance en physique seront dans notre horizon.

Je cite encore, p.31 : « Il faut renoncer à penser que le monde est directement conforme à ce que nous en percevons et que nous le percevons tous de la même façon. »

Je propose de rebondir sur le terme conforme car quelques jours avant que ne soit publié l’article de Zwirn, moi-même j’avais posté sur le blog, le 24/02, l’article : « La dynamique de l’espace-temps est conforme au paradigme d’Einstein. » Avec ces deux affirmations nous attribuons un rôle déterminant au sujet pensant et maintenant il faut expliciter ce rôle dans le développement de la connaissance scientifique en physique. C’est ce que j’ai commencé à entreprendre le 24/02 en écrivant ce qui suit :

« En ce qui concerne le ‘comment la Nature fonctionne’, je pense qu’il ne faut pas sous-estimer l’hypothèse que globalement la Nature ne fonctionne pas, mais le physicien lui prête par projection du ‘fonctionnement’. Ce qui correspond à une compréhension partielle obtenue par le physicien et il y a effectivement résonnance, accroche, avec ce qui est, certes, d’une façon réduite dans la Nature mais il faut la considérer comme une étape pour se hisser vers une compréhension plus multiple, plus complète. Selon mon entendement la Nature doit être comprise comme un état qui comprend tous les ‘fonctionnements’ possibles ».

La fonction d’onde de la connaissance globale du Monde, c’est l’éternité. Peu importe si Sapiens ou le produit de son évolution sera en mesure de l’atteindre. L’état de la connaissance réduite actuelle du monde c’est un Univers, conçu par les scientifiques avec ses compétences intellectuelles et ses moyens technologiques. Avec cet état dominant, se superpose d’autres états de connaissance en cours de réduction : je pense aux deux hypothèses suivantes qui sont celles du multivers et des mondes multiples d’Everett. La théorie du multivers est suggérée dans le cadre et dans le prolongement de la relativité générale, c’est-à-dire que la R.G. ne contrevient pas à cette hypothèse et elle élémine l’impasse de l’interprétation Anthropique, bien sûr qu’elle est sujet à controverse : « L. Susskind estime qu’il est enthousiasmant de penser que l’univers est peut-être beaucoup plus grand, plus riche, plus divers que nous ne l’avons jamais cru ; B. Carr explique que la notion d’un multivers ouvre une nouvelle perspective sur la nature de la science, et il n’est pas étonnant que cela cause un inconfort intellectuel ; G. Ellis relativise en disant : d’un côté nous avons M. Rees qui dit que l’univers ne s’arrête pas à notre horizon visuel, et donc, en un sens, c’est un multivers. Et je suis évidemment d’accord ; Et un peu plus loin, vous avez l’inflation chaotique d’A. Linde, avec son nombre infini d’univers-bulles et encore avec le paysage de la théorie des cordes, où la physique est différente dans chaque bulle… »

Dans le champ de la pensée scientifique, il n’est plus tabou de concevoir le multivers d’une façon ou d’une autre. L’esprit scientifique s’ouvre, saisit des indices. La fonction d’onde de la connaissance globale du Monde est en cours de réduction sur un ‘état de connaissance’ qui englobe le précédent et qui aura peut-être la même ampleur que celui à propos de la reconnaissance de l’existence de l’atome au XIXe siècle. Quant à la thèse des mondes multiples d’Everett, elle est conçue pour déverrouiller la problématique de la mesure. Il y a une accoutumance à cette thèse de la part d’une minorité de physicien, certes, mais elle fait évoluer la pensée scientifique comme dans le cas précédent. Ce qui est peut-être significatif c’est que ces deux extrapolations sont le fruit des deux théories jusqu’alors déclarées incompatibles, ceci peut être un sujet de méditation !  

Ce que je propose ci-dessus est suscité par l’idée que ce qui a été essentiellement fondé par l’école de Copenhague correspond à un état de l’art de la pensée scientifique et bien qu’elle fût énoncée à l’occasion de la découverte du monde physique à l’échelle de l’infiniment petit, elle vaut aussi pour tout scientifique en quête de connaissances physiques fondamentales de la nature à l’échelle macroscopique. Le rôle du sujet pensant est tout aussi déterminant dans les deux cas de figure. C’est ce que je déclame depuis un certain temps : « Au sein d’une éternité, parmi tous les possibles, Anthropos ne cesse de creuser sa connaissance de l’univers ! »

Aux chevets de...

En premier lieu au chevet du Modèle Standard de la physique des particules élémentaires, chevet tel qu’il est présenté, dans la revue ‘Cern Courier’ du 10/01/2020, par John Ellis dans un interview, lequel est introduit en ces termes : « John Ellis réfléchit sur 50 ans passés à travailler à l'avant-garde de la physique théorique des hautes énergies et si le domaine est enfin mûr pour un changement de paradigme. » Je confirme qu’Ellis est très bien placé pour évoquer cette période car il fut un de ceux qui en tant que théoricien a poussé jusqu’à l’extrême… la logique mathématique du Lagrangien du Modèle Standard.

            Je cite ci-dessous le dernier paragraphe de cet interview traduit par mes soins ainsi que sa version originale :

« Les ondes gravitationnelles vont nous en dire beaucoup sur l'astrophysique, mais il n'est pas si évident de savoir si elles nous en diront sur la gravité quantique (sic). Le boson de Higgs, quant à lui, nous dit que nous avons une théorie qui fonctionne fantastiquement bien, mais laisse de nombreux mystères - tels que la matière noire, l'origine de la matière, les masses des neutrinos, l'inflation cosmologique, etc - toujours présents. Il s'agit d'un mélange de problèmes théoriques, phénoménologiques et expérimentaux suggérant la vie au-delà du Modèle Standard (SM). Mais nous n'avons pas de panneaux indicateurs clairs (sic) aujourd'hui. Les chats théoriques errent dans toutes les directions, et c'est bien, parce que peut-être l'un des chats trouvera quelque chose d'intéressant. Mais il y a encore un dialogue en cours entre la théorie et l'expérimentation, et c'est un dialogue qui est peut-être moins un monologue qu'il ne l'était lors de la montée du SM et de la relativité générale. Les problèmes auxquels nous sommes confrontés pour aller au-delà des paradigmes actuels en physique fondamentale sont les plus difficiles auxquels nous ayons encore été confrontés, et nous allons avoir besoin de tout le dialogue que nous pouvons rassembler entre théoriciens, expérimentateurs, astrophysiciens et cosmologistes. »

« Gravitational waves are going to tell us a lot about astrophysics, but whether they will tell us about quantum gravity is not so obvious. The Higgs boson, meanwhile, tells us that we have a theory that works fantastically well but leaves many mysteries – such as dark matter, the origin of matter, neutrino masses, cosmological inflation, etc – still standing. These are a mixture of theoretical, phenomenological and experimental problems suggesting life beyond the SM. But we don’t have any clear signposts today. The theoretical cats are wandering off in all directions, and that’s good because maybe one of the cats will find something interesting. But there is still a dialogue going on between theory and experiment, and it’s a dialogue that is maybe less of a monologue than it was during the rise of the SM and general relativity. The problems we face in going beyond the current paradigms in fundamental physics are the hardest we’ve faced yet, and we are going to need all the dialogue we can muster between theorists, experimentalists, astrophysicists and cosmologists.”

J’ai passé une grande partie du mois de Décembre et de Janvier à être au chevet du Modèle Standard de la Cosmologie au cours de mes séminaires car des résultats récents, concentrés rien que sur l’année 2019, obligent à s’interroger sur les limites de la validité de celui-ci.

Le premier résultat qui bouscule très sérieusement est relatif à l’obtention de 2 valeurs distinctes de la constante de Hubble, l’une correspondant à l’univers primordial : 68 km/s/Mpc et l’autre 74km/s/Mpc correspondant à l’univers actuel. Tout a été vérifié, recalculé, et en juillet les impétrants concernés par ce sujet se sont réunis pour constater que contrairement à toute prévision théorique ces deux valeurs différentes sont effectives et ne peuvent être imputées ni à des erreurs de mesure ni à des erreurs de calcul (voir article du 05/12/2019). La constante de Hubble exprime la valeur du taux (vitesse) d’expansion de l’univers, cette constante fait partie de l’architecture centrale du Modèle Standard. En conséquence ces deux valeurs obtenues à des moments franchement distincts de l’évolution de notre univers met à mal l’idée d’une unique architecture de celui-ci.

Le deuxième résultat récent qui est troublant est relié à l’annonce publiée le 04/11/2019 par une équipe de physiciens, ayant repris les données recueillies par le satellite Planck et depuis republiées en 2018 avec des résultats améliorés, qui découvrent que contrairement à ce qui est admis couramment notre univers ne serait pas Euclidien[1] (plat) mais sphérique (fermé). Si cela était confirmé ce serait la fin de ce qui adviendrait comme une légende. Et ce n’est pas bon pour le Modèle Standard.

Le troisième résultat qui est, dans la durée, de plus en plus étayé, a comme perspective de remettre en cause l’énergie sombre. En effet l’auteur de la publication du 4/11/2019 : Subir Sarkar affirme que l’accélération de la vitesse de l’expansion de l’univers, telle qu’elle est considérée est un artéfact. En s’appuyant sur les travaux de plusieurs équipes d’astrophysiciens, il est en mesure d’affirmer que les 75 Supernovae type1a (SN1a) qui ont été la référence pour officialiser scientifiquement l’énergie sombre en 1998 ne peuvent pas constituer un échantillon de référence et les 750 qu’il étudie actuellement infirment cette hypothèse. Selon les travaux de l’équipe de S. Sarkar, l’accélération observée en 1998 est une accélération au sein de l’univers local dans un volume significatif mais ne concernerait pas du tout l’univers dans son ensemble. Si ce résultat devenait officiel, ce serait 68% de ce qui compose l’univers actuellement qui serait gommé. Facile d’imaginer la révolution que cela engendrerait.

Enfin le dernier article du 6/01/2020 a un titre explicite : « De nouveaux éléments de preuve montrent que l'hypothèse clé faite dans la découverte de l'énergie sombre est erronée. », alors qu’il relate une étude très différente qui est basée sur le questionnement de la validité de l’hypothèse que les SN1a peuvent être considérées comme des chandelles standards. La réponse est : « hypothèse non valide » Si par ce biais là il y a aussi erreur majeure, le tremblement sera encore amplifié.

Faisons un retour aux propos de John Ellis, qui fait une liste partielle des mystères scientifiques qui ont été générés ces cinquante dernières années : « Mais laisse de nombreux mystères - tels que la matière noire, l'origine de la matière, les masses des neutrinos, l'inflation cosmologique, etc - toujours présents. » et qui conclut son propos par : « Les problèmes auxquels nous sommes confrontés pour aller au-delà des paradigmes actuels en physique fondamentale sont les plus difficiles auxquels nous ayons encore été confrontés, et nous allons avoir besoin de tout le dialogue que nous pouvons rassembler entre théoriciens, expérimentateurs, astrophysiciens et cosmologistes. »

Premièrement, je considère que la longueur de la liste des mystères est directement corrélée au nombre d’extrapolations abusives voire superficielles et opportunistes de certains développements théoriques (voir mes articles sur les neutrinos dès le début de la création de mon blog) et l’accumulation ainsi que l’enchevêtrement des mystères affaiblissent maintenant notre capacité de discernement des vraies failles des Modèles Standards. A la fin du XIXème siècle la situation de crise en physique était centrée sur un seul sujet, celui de la vitesse de la lumière, après les résultats de A. Michelson et E. Morley obtenus en 1887. Il fallut attendre qu’en 1905 A. Einstein invente l’authentique paradigme de la relativité de l’espace et du temps qui permette de résoudre le mystère tenace de la vitesse de la lumière qui s’est imposée comme constante universelle. Et on sait comment par la suite la bobine s’est déroulée.

Depuis qu’il y a eu l’illusion d’une perspective d’une ‘Théorie du Tout’ qui a engendré une marche forcée d’annonces théoriques mais sans lendemain, cet horizon continue, malgré tout, d’être toujours scruté. Le savoir absolu, finalisant, comme, sur une période, l’a caressé S. Hawking doit être définitivement considéré comme une chimère. En physique, il n’y a pas de moment du Graal. Notre ligne directrice la plus fertile est celle qui est engendrée par une dynamique d’évolutions de nos connaissances qui conforte et/ou rectifient les précédentes. Cette escalade est, par elle-même, à coup sûr motivante. Creuser l’inconnu pour que la lumière de l’intelligence de Sapiens atteignent toujours de nouveaux recoins de l’univers est source d’une énergie intellectuelle suffisante en soi.

Je propose que l’on médite sur l’article du 16/01/2020, dans ‘Nature’, ayant pour titre : « Combien la physique quantique est effrayante ? La réponse pourrait être incalculable. » ; « How ‘spooky’ is quantum physics ? The answer could be incalculable. » Dans l’article de synthèse de Castelvecchi, il est précisé que des physiciens ont tenté d’évaluer jusqu’à quel degré ‘l’action fantôme à distance’ (spooky action) continue d’être un pis-aller pour rendre de la propriété de l’intrication. Rappelons que cette expression recouvre, depuis Einstein, l’incapacité d’expliquer rationnellement la propriété de l’intrication.

Le questionnement actuel sur cette énigme est le suivant : jusqu’où cette apparente coordination miraculeuse de la nature entre deux objets distants s’impose ? Des physiciens théoriciens munis d’outils mathématiques pures et algorithmiques ont cherché à répondre à la question en repoussant dans ces ultimes retranchements les données de l’énigme et la réponse à la question est : « Inconnaissable » Avec ce résultat (publié dans un article de 165 pages) on constate que ces physiciens ont gratté l’os de la connaissance jusqu’au stade où celle-ci devient rédhibitoirement impossible. Ce résultat du savoir inconnaissable est clairement annoncé depuis 1931 par K. Gödel, son théorème de l’incomplétude nous informe qu’aucune théorie mathématique formelle ne peut s’autojustifier avec ses moyens propres et il est impossible de montrer la validité ou la fausseté à l’intérieur de la théorie en question pas plus que sa cohérence. Etant dans l’impossibilité d’expliquer l’intrication avec des arguments physiques vouloir la décrire par le biais de la logique mathématique constitue une alternative vraiment acceptable. Mais il se trouve que l’incomplétude décelée en mathématique depuis 1931 et depuis jamais contredite (au contraire) rejaillit sur la physique et ce n’est pas surprenant. Surtout sur cette affaire de la ‘spooky action’

A l’origine de ce sujet traité aujourd’hui, il se trouve un article de 1976 de A. Connes, utilisant le langage des opérateurs, article dans lequel il demande si des systèmes quantiques avec une infinité de variables mesurables peuvent être approximés par un nombre fini. La réponse des auteurs d’aujourd’hui est : Non. Il est impossible de calculer la quantité de corrélations que deux tels systèmes peuvent manifester à travers l’espace quand ils sont intriqués. Un des physiciens commente ce résultat, qui le surprend, en osant affirmer : « La Nature est dans un certain sens fondamentalement finie (sic). » Je considère qu’il est vraiment inquiétant qu’un physicien puisse dire des choses aussi étriquées et je n’exagère pas en pensant que c’est inquiétant d’être équipé de telles œillères. (Voir article du 22/07/2019). Bref en aucun cas, la Nature ne peut être considérée comme une chose.  

Tout ce que je viens de relater ne peut être qualifié de négatif ou pessimiste, l’essentiel étant de trouver la bonne direction, en écartant tous les faux amis relatifs au savoir complet et suffisant qui nous permettraient comme l’avait prétendu S. Hawking : ‘Occuper la place de Dieu.’ De toute façon, n’ayons pas la mémoire courte car K. Gödel, depuis 1931, a, pour nous, écarté toute ambition parasite à la connaissance éclairante.

Il se trouve que le hasard puisse coordonner étonnamment les choses puisqu’aujourd’hui même, dans le site ‘Techno-Science’ est publié l’article suivant : « Une expérience sur le phénomène quantique "fantôme" pourrait résoudre un mystère de la physique » Cet article nous indique l’écart des préoccupations entre les physiciens théoriciens et expérimentateurs, ceux-ci cherchant surtout à appliquer bien qu’il y ait une faille extraordinaire de la connaissance. Dans ces conditions, est-ce que l’on peut construire quelque chose de solide dans la durée ? En lisant l’article ci-dessous en copie on mesure la portée de l’aventure. On n’oublie pas de prendre en considération le fait que c’est avec la propriété de l’intrication, que pour la première fois, les physiciens sont confrontés à une énigme si tenace tout au moins dans la durée.

action fantôme  intrication quantique  information quantique  téléportation quantique 

Publié par Redbran le 27/01/2020 à 08:002

Des chercheurs ont réussi à montrer l'une des caractéristiques les plus complexes de la mécanique quantique à une plus grande échelle. Leur étude pourrait ouvrir la voie à des technologies révolutionnaires telles que les ordinateurs quantiques et de nouveaux types de capteurs.
Pendant des décennies, les scientifiques ont essayé de prouver que l'une des propriétés les plus étranges de la mécanique quantique n'était pas uniquement une singularité mathématique, mais une caractéristique réelle du monde physique. Ce phénomène, qu'Albert Einstein a nommé "action fantôme à distance", connu également sous le nom d'"intrication quantique", se réfère aux systèmes qui ne peuvent pas être décrits séparément les uns des autres, quelle que soit la distance entre eux.

L'intrication a déjà été démontrée dans des systèmes à échelle microscopique impliquant les photons, les ions, les spins d'électrons, et les dispositifs micro-ondes et électromagnétiques. Mais une équipe de chercheurs partiellement soutenue par le projet HOT financé par l'UE a démontré que l'intrication peut se produire et être détectée à une plus grande échelle. L'étude est cruciale car l'intrication est considérée comme une ressource clé pour de nombreuses technologies quantiques potentiellement transformatrices, y compris l'informatique quantique et la transmission d'informations.

Les conclusions de l'étude ont été récemment publiées dans la revue "Nature". Comme l'expliquent les membres de l'équipe, leur étude "élargit qualitativement la gamme des systèmes physiques intriqués et a des incidences sur le traitement de l'information quantique, les mesures de précision et les tests des limites de la mécanique quantique".

Selon le communiqué de presse publié par l'Université Aalto en Finlande, les chercheurs ont réussi, par des mesures en laboratoire, à amener deux objets distincts et en mouvement – presque visibles à l'œil nu – dans un état d'intrication quantique où ils s'influencent mutuellement. Il a été ajouté dans le communiqué de presse que: "Les objets utilisés pour l'expérience étaient deux membranes de tambour vibrantes fabriquées à partir d'aluminium métallique sur une puce de silicium. Les membranes de tambour sont vraiment massives par rapport à l'échelle atomique: leur diamètre est proche de la largeur d'un cheveu humain fin."

Cité dans le même communiqué de presse, le professeur Mika Sillanpää du département de physique appliquée de l'Université Aalto, a déclaré: "Les éléments vibrants interagissent via un circuit micro-ondes supraconducteur. Les champs électromagnétiques dans le circuit dévient toute perturbation thermique, ne laissant que les vibrations mécaniques quantiques."

L'équipe a éliminé toute forme de perturbations environnementales, ce qui a permis de mener l'expérience à une température proche du zéro absolu, à - 273 °C. Les chercheurs ont découvert que leur approche a entraîné des états d'intrication d'une longue durée, allant parfois jusqu'à une demi-heure. Ils ont ajouté que l'étude ouvre la voie à une manipulation plus précise des propriétés des objets à grande échelle. À terme, cette particularité pourrait être utilisée pour fabriquer de nouveaux types de routeurs et de capteurs.

L'équipe compte également utiliser la téléportation quantique pour transmettre les vibrations entre les deux membranes de tambour. Selon le Dr Caspar Ockeloen-Korppi, l'un des membres de l'équipe cité dans le communiqué de presse, "Nous sommes encore assez loin de Star Trek".

Résumant l'étude dans l'édition britannique de "The Conversation", le Dr Matt Woolley, l'un des chercheurs, a expliqué que l'expérience "est peut-être l'approche la plus proche de la réalisation littérale de la célèbre expérience de pensée d'Einstein, Podolsky et Rosen qui ont étudié pour la première fois en 1935 le phénomène qui allait par la suite être connu sous le nom d'intrication". Einstein a conçu un paradoxe ayant pour but de montrer que la théorie quantique était incomplète, comme il l'a expliqué dans un article écrit avec Boris Podolsky et Nathan Rosen, et qui a été publié dans la revue "Physical Review".

 

La R.G. encore toujours performante.

Lorsque j’ai proposé le 14/05, l’article : « Chemin escarpé menant à un au-delà de la Relativité Générale », j’ai indiqué qu’il nous faudra préalablement identifier la frontière des phénomènes physiques qui ne peuvent plus être correctement décrits par la loi d’Einstein.

Je propose de rapporter dans le présent article des résultats physiques qui confirment que la R.G est toujours performante pour prédire et rendre compte des phénomènes observés qui mettent en jeu des champs gravitationnelles de grande intensité. Nous avons maintenant à notre disposition un grand nombre d’instruments d’observations très performants qui nous permettent de voir loin dans notre cosmos et de voir avec de plus en plus de précision et donc la mise à l’épreuve de la validité de la Relativité Générale est très consistante.

Récemment, c’est-à-dire en Mai 2018, une étoile : SO-2 a atteint le point de sa trajectoire dont sa distance au trou noir de notre galaxie, nommé : Sagittarius A* (Sgr A*), est la plus réduite. Ce point de moindre distance s’appelle le périhélie et la masse de Sgr A* est estimée à 4 millions de fois la masse de notre soleil (M_Ɵ). C’est donc en Août de cette année que sont publiés les articles rendant compte des observations obtenues 15 mois plus tôt, car il y a obligatoirement beaucoup de traitements des signaux obtenus sur les télescopes pour que scientifiquement des résultats de grandes valeurs soient publiés. Ainsi sur le site Phys.org, sur ce sujet, on peut lire l’article : « La théorie de la relativité générale d’Einstein est remise en question, mais elle est toujours valable jusqu’à présent. » ou encore sur le site de Physicsworld : « La théorie de la relativité générale d'Einstein testée par une étoile qui orbite autour d'un trou noir. »

La trajectoire de l’étoile SO-2 est suivie depuis 25 ans, sa trajectoire est nettement képlérienne donc très elliptique et elle boucle son orbite en 15,5 années. Lorsqu’elle est au niveau de son périhélie sa vitesse de déplacement est maximum, de l’ordre de 25 millions de km/h, sa distance est minimale et est de 20 milliards de km soit 120 fois la distance terre-soleil[1].

L’équipe de l’astrophysicienne Andréa Ghez de l’Université de Californie est une des deux équipes à avoir suivi l’évolution de SO-2 depuis plus de 20 ans. Les observations des deux équipes conduisent à déclarer que les prédictions de la théorie de la relativité sont à nouveau spectaculairement vérifiées et un des piliers de la théorie relativiste de la gravitation, soit l’égalité entre masse grave et masse d’inertie, est également encore vérifié.

Lorsque l’étoile SO-2 s’approche du périhélie de sa trajectoire une combinaison de deux effets relativistes est observée. En premier lieu un effet Doppler, pour nous observateurs sur terre, provoquant un important décalage spectral vers le bleu de la lumière émise par l’étoile quand celle-ci s’approche de nous et un décalage vers le rouge quand celle-ci s’éloigne de nous. A cela est observé un décalage vers le rouge supplémentaire de la lumière dû au champ gravitationnel intense de Sgr A* et qui est une belle illustration de l’interdépendance Espace-Temps-Matière (énergie). Ces deux traits d’union indiquent que l’espace-temps est modifié au voisinage de la matière (énergie puisque E=mC²), tout comme l’espace-temps modifié, modifie la trajectoire de la matière (énergie) instantanément. Cette réalité physique jusqu’à présent confirmée explique la raison pour laquelle du point de vue mathématique les équations de la relativité générale sont impossibles à traiter d’une façon globale. Ce qui est certain c’est que le tempo du temps, de nos horloges, ralentit lorsque le champ gravitationnel s’accroit (lorsque la quantité de matière (énergie) s’accroit).

L’observation du suivi de la trajectoire de SO-2 est encore intense car maintenant qu’elle a entrepris une trajectoire complète en 15,5 années, il s’agit d’observer si la nouvelle trajectoire sera identique à la précédente ou si elle sera légèrement différente à cause d’un effet de précession relativiste comme la R.G le prédit. A priori, nous aurons des résultats sur cette prédiction d’ici la fin de cette année. A priori, il n’y a pas de doute sur l’observation de cet effet, puisque déjà observé à propos de Mercure qui se trouve être la planète du système solaire la plus proche du soleil. Ce qui est attendu, c’est de connaître l’ampleur de cette précession et de vérifier si elle est en accord avec les prédictions théoriques de la R.G.

Grâce à des télescopes encore plus performants l’équipe de A. Gehz s’intéresse à suivre l’évolution d’une autre étoile identifiée : SO-102 qui a une orbite plus réduite de 11,5 années et son passage au plus près de Sgr A* sera d’une plus grande proximité avec en conséquence des effets gravitationnels plus intenses. Ce sera donc une opportunité de vérifier si la R.G dysfonctionne au-delà de cette nouvelle valeur supérieure du champ gravitationnel.

Il y a un autre domaine où la Relativité Générale a une valeur prédictive particulièrement élevée c’est celui de la collision des trous noirs avec la détection des premières ondes gravitationnelles en 2015, cent ans après qu’elles furent, dès cette époque, concrètement théoriquement déductibles des équations d’Einstein. Actuellement les interféromètres Ligo et Virgo ont enregistré une quarantaine de ces collisions dont certaines sont aussi entre étoiles à neutrons et peut-être quelques unités entre trou noir avec étoile à neutrons.

Ce que l’on peut affirmer aujourd’hui, c’est que sans la référence de la Relativité Générale on n’aurait pas engagé des recherches instrumentales aussi sophistiquées pour tenter de détecter des ondes spatio-temporelles. Tous les résultats obtenus et qui font sens actuellement résultent de sélections d’ondes gravitationnelles effectives grâce à des calibres préalablement conçus par l’intermédiaire des équations de la R.G. Ceci étant dit, il nous faut prendre du recul. Il est donc approprié de déclarer que toutes les observations sont compatibles (sic) avec la relativité générale et les prédictions pour les trous noirs, mais il n’est pas possible d’être plus affirmatif. La raison en est que nous sommes pris dans le tropisme des équations de la R. G. car c’est le seul outil théorique prédictif dont nous disposons. Il n’est pas impossible que les collisions des trous noirs, des étoiles à neutrons et trous noirs avec étoiles à neutrons, soient beaucoup plus riches en informations véhiculées par les ondes gravitationnelles que celles spécifiques sélectionnées au moyen des calibres déterminés par la R.G. On ne pourra accorder de la signification aux informations qui sont véhiculées et qui seraient au-delà de la R.G. qu’à force d’une accumulation d’observations. A partir de cette situation on sera peut-être en mesure de distinguer ce qui est théoriquement inclus dans les prévisions de la R.G. de ce qui ne peut pas être considéré comme inclus.

Nous sommes actuellement pleinement dans cette étape scientifique et sans vouloir anticiper abusivement, il n’est pas interdit d’ouvrir le questionnement suivant : pourquoi avec les quatre collisions entre étoiles à neutrons détectées depuis le début d’avril de cette année, aucun rayonnement électromagnétique n’a été observé contrairement à la collision de même nature observée en 2017 ? Est-ce que la vitesse de propagation des ondes gravitationnelles est identique à celle des ondes électromagnétiques comme cela fut postulé par Einstein ? Est-ce tout simplement un problème de carence d’observation ?

L'évènement observé en 2017 avait soulevé un enthousiasme certain chez les astrophysiciens grâce à la richesse des informations obtenues à la fois par la détection des ondes gravitationnelles et des ondes électromagnétiques sur une gamme de longueur d’onde significative. Les réponses aux questions posées sont à l’ordre du jour.

Il y a peu, le 08/09, un article a été publié dans ‘Techno-Sciences’ avec le titre suivant : « L’émission radio d’un pôle magnétique d’étoile à neutrons révélée par la relativité générale. » Là encore, ce résultat a été obtenu grâce à la croyance solide du pouvoir prédictif de la R.G. puisqu’il a fallu 14 années d’observations pour confirmer ce résultat annoncé par les équations. Je cite l’article :

« En utilisant les données des radiotélescopes d'Arecibo et de Nançay collectées depuis 14 ans, une équipe scientifique dirigée par un chercheur de l'Observatoire de Paris a pu reconstruire le faisceau d'émission radio du pulsar J1906+0746 grâce à la précession relativiste de son axe de rotation. Ces résultats permettent l'étude de l'émission radio au-dessus du pôle magnétique d'un pulsar, tester la théorie de la relativité générale d'Einstein et ont des conséquences sur le taux de coalescence des étoiles à neutrons. Ces résultats sont publiés dans le magazine Science du 6 septembre 2019.

Les pulsars sont des étoiles à neutrons en rotation rapide qui concentrent 1,4 fois la masse du Soleil - ou plus ! - dans une sphère de 20 km de diamètre. Ils possèdent un champ magnétique extrêmement fort et émettent un faisceau d'ondes radio au-dessus de chacun de leurs deux pôles magnétiques.
Tel un phare au bord de la mer, l'émission des pulsars est perçue sur Terre comme des impulsions avec une régularité qui rivalise la précision des meilleures horloges atomiques. Ces objets massifs et compacts sont ainsi utilisés par les astronomes comme des horloges cosmiques pour tester la théorie de la relativité générale :d'Einstein.
La théorie d'Einstein prédit que l'espace-temps est déformé par des objets massifs comme les pulsars. Une des prédictions de cette théorie est la précession de l'axe de rotation d'un pulsar lorsqu'il appartient à un système à deux astres. Cette précession est un lent changement d'orientation de son axe à la façon d'une toupie en fin de lancer. Cet effet est dû au mauvais alignement entre l'axe de rotation du pulsar et le moment angulaire total du système causé par une supernova. Cette précession fait varier la géométrie d'observation du pulsar qui peut être étudiée grâce aux impulsions radio reçues.

PSR J1906+0746 est situé proche du plan de la Voie Lactée à une distance d'environ 20 000 années lumières dans la direction de la constellation de l'Aigle. Ce pulsar tourne sur lui-même en 144 ms et orbite autour d'une autre étoile à neutrons en 4 heures. Les chercheurs observent ce pulsar depuis 2012 avec le radiotélescope d'Arecibo à Porto Rico (Etats-Unis). Pour compléter l'étude, l'équipe a aussi réanalysé des archives du radiotélescope d'Arecibo et celles du radiotélescope de Nançay situé dans le Cher. Au total, les observations couvrent une période allant de juillet 2005 à juin 2018.

 
L'équipe a pu déterminer que l'émission radio détectée entre 2005 et 2016 provenait des deux pôles magnétiques du pulsar, quand les deux faisceaux radios illuminaient la Terre. En 2016, l'émission radio en provenance de l'un des deux pôles ne fut plus détectée et depuis, seule l'émission radio provenant du deuxième pôle sud reste détectable.

 
En utilisant une théorie datant de 1969 qui prédit que la polarisation de l'émission radio renseigne sur l'orientation géométrique du pulsar, l'équipe a pu valider ce modèle et mesurer la précession de l'axe de rotation du pulsar avec une incertitude de 5%. Ce résultat est en parfait accord avec la prédiction de la relativité générale d'Einstein.

L'étude permet aussi de prédire la disparition et réapparition de l'émission provenant des deux pôles magnétiques du pulsar. L'émission provenant du dernier pôle visible devrait disparaitre de notre ligne de visée vers 2028 et réapparaitre entre 2070 et 2090. L'émission du premier pôle devrait réapparaitre entre 2085 et 2105.

Ces observations rendent aussi possible des avancées sur la compréhension de l'émission radio des pulsars grâce à l'observation des propriétés d'émission radio au-dessus d'un pôle magnétique. La reconstruction du faisceau d'émission radio permet finalement de déterminer la fraction du ciel qui est illuminée par ce pulsar. Ce paramètre affecte le nombre estimé de systèmes à deux étoiles à neutrons dans notre Galaxie et donc le taux de coalescence de ces systèmes. »

            Tous ces résultats que je privilégie sont obtenus avec l’exploitation conjointe de la métrique de Schwarzschild (1873-1916) qui introduit une symétrie sphérique en privilégiant les objets célestes sphériques sources de gravitation, tels les étoiles et les trous noirs. D’un point de vue mathématique cette symétrie sphérique simplifie remarquablement les équations d’Einstein et favorise leur traitement.

            Lorsqu’il est interrogé la validité de la R.G, par exemple à propos du problème posé par le fait que nous ayons actuellement trois valeurs de la constante de Hubble mesurées, il faut prendre en compte l’hypothèse qu’aux grandes échelles c’est la métrique de Robertson-Walker qui est exploitée car elle prend en compte le critère de l’homogénéité de l’univers et son isotropie aux grandes échelles et donc une symétrie de translation est exploitée ce qui simplifie d’une autre façon les équations de la R.G[2] ainsi que leur traitement. Il faut certainement réfléchir à cet aspect du problème.

            Pour terminer cet article je veux rendre compte d’une nouvelle confirmation des équations d’Einstein avec un article, du 11/09 dans Phys.org, avec le titre suivant : « Les scientifiques détectent pour la première fois le tintement d'un trou noir nouveau-né. »

            « Si la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein est vraie, alors le trou noir, né de la collision cosmique de deux trous noirs massifs, devrait lui-même « tinter » dans la foulée, produisant des ondes gravitationnelles un peu comme une cloche frappée émet des ondes sonores. Einstein a prédit que le tintement particulier ainsi que la décomposition de ces ondes gravitationnelles devraient être une signature directe de la masse et du spin du trou noir nouvellement formé. »

            Cette prédiction a été mise à l’épreuve par l’exploitation du signal de la collision des 2 trous noirs enregistré le 14 septembre 2014 (GW150914). Cette étude réalisée au sein de l’Institut pour la recherche en astrophysique du MIT a abouti à vérifier remarquablement la validité de cette prédiction. En effet, les chercheurs ont été en mesure d’extraire le ‘sous-signal[3]’ correspondant au tintement du trou noir nouveau-né résultant de la collision, ce qui en dit long sur la finesse et les intelligences, aujourd’hui mobilisées, pour extraire de l’information si subtile. Cela en dit long aussi sur la confiance placée à l’égard des prolongements de la validité de la R.G car il a fallu 5 ans de traitement du signal original pour publier un résultat d’une aussi grande qualité.

            En plus grâce à ces travaux les chercheurs confirment que les trous sont ‘sans cheveux’, ce qui veut dire que les trous noirs sont totalement caractérisés, pour nous observateurs, par leur masse, leur spin et leur charge électrique éventuelle qui sont des grandeurs intrinsèques.

            Et ce n’est pas fini…

Quelque chose de profondément caché.

Ceci est le titre du livre qui vient d’être publié aux Etats Unis et signé par Sean Carroll. Le sous-titre précise le domaine de la physique ausculté par l’auteur : « Les mondes quantiques et l’émergence de l’Espace-Temps ». En accord avec la théorie des mondes multiples proposée par Hugh Everett (1930-1982), l’auteur considère que la mécanique quantique est logique et pour lui le voile de l’étrangeté perd toute son opacité. Dans ce livre de nombreux concepts élémentaires sont analysés dans le but de justifier l’adhésion aux mondes multiples et dans le but de confirmer la pertinence de la théorie quantique des champs. Quels que soient les degrés d’adhésion à Everett, pour chacun d’entre nous, la lecture de ce livre est fort intéressante.

J’ai retenu deux aspects de ces analyses originales de l’auteur que je privilégie dans cet article. Ce n’est pas un choix exhaustif et il se pourra que je cite ce livre à d’autres occasions.

Dans le chapitre : « Pourquoi y a-t-il l’espace ? », Page 239 : « La position est : « Là où vous êtes dans l’espace », tandis que la vitesse est « Avec quelle rapidité vous vous déplacez dans l’espace. », et l’impulsion est : la masse que multiplie la vitesse. Donc, l’espace apparaît être la chose principale.

            Mais une analyse plus profonde révèle que les concepts de position et d’impulsion sont bien plus sur un pied d’égalité qu’au premier abord. Peut-être que nous ne devrions pas en être surpris ; après tout : position et impulsion sont les deux quantités qui ensemble définissent l’état d’un système classique. En effet, dans l’hamiltonien de la mécanique classique, position et impulsion sont explicitement sur un pied d’égalité. Est-ce que cela reflète une symétrie qui n’est pas évidente en surface ?

            Dans notre vie quotidienne, position et impulsion semblent vraiment différents. Ce qu’un mathématicien appellerait « l’espace de toutes les positions possibles » ce que communément on appelle ‘l’espace’ ; c’est le monde tridimensionnel dans lequel nous vivons. « L’espace de toutes les impulsions possibles » ou « l’espace des impulsions », est aussi de trois dimensions, mais cela semble un concept abstrait. Personne ne croit que nous vivons dans cet espace-là. Pourquoi non ?  

            La caractéristique qui rend l’espace spécial est la localité.

            Comme dans un système classique, le formalisme quantique basique traite position et impulsion sur un pied d’égalité. Les deux façons pour décrire le même état quantique sont équivalentes, exprimant la même information mais de manière différente.

            Ceci est d’une nature profonde. Nous avons précisé qu’une fonction d’onde d’impulsion définie ressemble à une onde sinusoïdale. Mais c’est aussi ce à quoi cela ressemble quand nous utilisons la position, ce qui est le langage que nous utilisons naturellement. Exprimé en termes d’impulsion, le même état quantique apparaîtrait comme une pointe localisée à cette impulsion particulière. Un état avec une position définie ressemble à une onde sinusoïdale répartie sur toutes les impulsions possibles. Ceci commence à nous suggérer ce qui réellement importe c’est la notion abstraite de ‘l’état quantique’, pas sa réalisation (sic) spécifique en tant que fonction d’onde en termes soit de position ou d’impulsion.

            La symétrie est rompue, une fois de plus, par le fait que dans notre monde particulier, les interactions se produisent quand les systèmes sont proches dans l’espace. C’est la localité dynamique au travail. ‘Positions dans l’espace ‘ sont les variables par lesquelles les interactions apparaissent locales. L’espace n’est pas fondamental : c’est juste une façon d’organiser ce qui se passe dans la fonction d’onde quantique.

            Je dois retenir le fait qu’ à plusieurs occasions il fait référence à ce qui correspond à notre état d’être humain qui véhicule de façon inhérente certaines déterminations : Dans notre vie quotidienne ; Personne ne croit que nous vivons dans cet espace-là ; le langage que nous utilisons naturellement ; dans notre monde particulier.

            Je commente : L’espace n’est pas fondamental. D’un point de vue purement physique l’espace n’est pas fondamental, car c’est nous, sujet pensant, descendant d’Homo Erectus, qui faisons de l’espace un support de repérage fondamental. Voir article : du 03/02/2016 : ‘Là, où, pense Homo Sapiens’. L’espace est fondamental pour l’être humain, il est une détermination de notre capacité de penser et d’inférer depuis nos origines Homo. L’ignorer c’est sous-estimer les biais que de fait nous induisons au sein du processus de la découverte des lois de la nature. En ce sens, je trouve que les réflexions de Carroll concernant ‘l’espace’ et ‘l’espace des impulsions’ sont pertinentes mais dommage que cela se termine par un point d’interrogation car à l’évidence c’est le physicien qui brise la symétrie car cette symétrie des deux espaces ne peut pas être (ne peut pas être encore) intellectuellement intériorisée. Remercions quand même : S. Carroll, d’avoir mis le doigt sur ce problème, sachant qu’au-delà de celui-ci il y en a bien d’autres. Il est donc essentiel, à mes yeux, que les physiciens cessent de considérer que leur savoir est un savoir universel. C’est pourquoi, j’avais proposé en son temps que soit rédigé un manifeste pour que s’établisse une importante coopération avec les paléoanthropologues et historiens de l’évolution de l’homme. Sans succès.

Le langage que nous utilisons naturellement. Là encore, Carroll pense juste quand il évoque ce langage, étant donné ce qu’il est et que nous utilisons naturellement, eh bien ! il fait ce que nous sommes et détermine le processus par lequel nous pensons (voir article du 11/07/2012 : ‘Faire alliance avec les linguistes pour avancer’. En conséquence le monde que nous concevons grâce aux lois de la physique que nous établissons, est un monde particulier au sein du monde universel. C’est bien ce que nous dit S. Carroll quand il évoque : ‘dans notre monde particulier’, bien que pour lui notre monde est particulier parmi les mondes multiples d’Everett. Voir article précédent du 17/09 : ‘Transgressions : à suivre !’.

            Dans le chapitre 13 : « Respiration dans l’Espace Vide » : « Trouver la Gravité dans la Mécanique Quantique. »

            S. Carroll propose dans ce chapitre de trouver la gravité quantique dans la mécanique quantique en utilisant les ingrédients basiques de la théorie quantique : les fonctions d’onde, l’équation de Schrödinger, l’intrication, et interroger sous quelles circonstances nous pouvons obtenir des branches émergentes de la fonction d’onde qui ressemble à des champs quantiques se propageant dans un espace-temps courbé. Il précise que la compréhension de son projet : « Trouver la Gravité dans la Mécanique Quantique. » implique que l’on accepte l’idée que la thèse des mondes multiples d’Everett permet de comprendre enfin la mécanique quantique et de lever les mystères et les interrogations qu’elle véhicule.

            Il faut rappeler que la relativité générale et la relativité restreinte relève du monde physique classique comme les équations de Maxwell, et les autres qui ont précédées. Et une fois que la mécanique quantique s’impose il est naturel de tenter de ‘quantifier’ la relativité générale pour obtenir une théorie quantique de la gravité. Ce qui fait la relativité générale : spéciale, c’est qu’elle est une théorie de l’espace-temps plutôt qu’une théorie de la matière au sein de l’espace-temps. Carroll précise que selon lui, la Nature est quantique dès le début et décrite par une fonction d’onde évoluant en accord avec une version appropriée de l’équation de Schrödinger. Il ne veut pas commencer avec espace et champs classiques et les quantifier, aussi il propose de les extraire directement d’une fonction d’onde quantique.

            Carroll rappelle et s’appuie sur les travaux de John von Neumann (1903-1957) qui a montré que la mécanique quantique introduit une notion d’entropie qui est parallèle à la définition classique. « Comme l’a expliqué Ludwig Boltzmann, on commence avec un ensemble de constituants qui peuvent se mélanger de façons multiples, tels atomes et molécules dans un fluide. L’entropie est alors la façon dont on compte le nombre de possibilités dont les constituants peuvent être arrangés sans que l’apparence macroscopique du système soit changée. L’entropie est reliée à notre ignorance (sic) : les états de hautes entropies sont ceux pour lesquels nous ne savons pas beaucoup à propos des détails microscopiques d’un système à part connaître ses caractéristiques observables.

L’entropie de von Neumann, diffère, dans le sens qu’elle est purement et naturellement quantique et émerge de l’intrication (sic). Considérons un système quantique qui est séparé en deux parties. Cela pourrait être deux électrons, ou les champs quantiques dans deux régions de l’espace. Le système comme un tout est décrit par une fonction d’onde, comme d’habitude. Il a plusieurs états quantique définis, même si nous ne pouvons seulement prédire les résultats des mesures que d’une façon probabiliste. Mais si les deux parties sont intriquées, il n’y a qu’une seule fonction d’onde pour l’ensemble et non pas de fonction d’onde séparée pour chacune de parties. Les parties, pour ainsi dire, ne sont pas dans des états quantiques qui leur seraient propres.

Von Neumann a montré que, pour différentes raisons, le fait que des sous-systèmes intriqués n’aient pas des fonctions d’ondes propres est analogue à ce qu’ils aient une fonction d’onde mais nous ne savons pas ce que cela est (la teneur de cette affirmation doit être questionnée). En d’autres termes, les sous-systèmes quantiques, ressemblent étroitement à la situation classique où il y a beaucoup d’états possibles qui macroscopiquement apparaissent semblable. Et cette incertitude peut être quantifiée par ce que nous appelons maintenant l’entropie d’intrication. Plus est élevée l’entropie d’un sous-système quantique, plus il est intriqué avec le monde extérieur (sic).

Ensuite Carroll s’appuie sur les travaux originaux, que nous avons déjà étudiés, de Juan Maldacena et qui ont établi une correspondance, dans des situations particulières, entre l’entropie exprimée par la valeur de la surface qui englobe un volume d’espace et celle de ce volume en théorie des cordes. Ted Jacobson de l’université du Maryland est cité dans le livre comme celui qui développe l’idée que quand la gravité est incluse, l’entropie du volume d’une région est toujours (sic) proportionnelle à la surface de la région frontière[1]. La surface étant une quantité géométrique, il est considéré qu’au niveau élémentaire on peut établir une correspondance avec le membre de gauche de l’équation de la relativité générale et celui de droite avec celui de l’entropie qui est celui de la température donc de l’énergie. Grâce à ces manœuvres (dixit) Ted Jacobson a été capable de dériver l’équation d’Einstein plutôt que de la postuler directement comme le fit Einstein.

S. Carroll, p280 : « Pour dire les choses plus directement, on considère une petite région dans un espace-temps plat. Cette région a de l’entropie, parce que les modes (des champs quantiques) à l’intérieur de la région sont intriqués avec ceux de l’extérieur. Maintenant si on imagine changer légèrement l’état quantique, de façon que nous diminuions la quantité par laquelle cette région est intriquée, en conséquence nous diminuons son entropie. Dans la conception de Jacobson, la surface délimitant notre région change en conséquence, diminuant un peu, au moins d’un bit quantique. Et il montre que cette réponse de la géométrie de l’espace-temps à un changement de l’état quantique est équivalente à l’équation d’Einstein de la relativité générale, reliant courbure à l’énergie.

Ce fut le début d’une concentration d’intérêt dans ce que nous appelons la gravité ‘entropique’ ou ‘thermodynamique’ : d’autres contributions importantes furent proposées par Thanu Padmanabhan (2009) et Erik Verlinde (2010). Le comportement de l’espace-temps en relativité générale peut être pensé comme une simple tendance naturelle de systèmes de se modifier vers des configurations de plus grande entropie.

Ceci constitue un véritable changement radical de perspective. Einstein a pensé en termes d’énergie : une quantité définie associée avec une configuration particulière de matériaux dans l’univers. Jacobson et d’autres ont prétendu qu’on peut atteindre la même conclusion en pensant entropie, un phénomène collectif qui émerge d’une interaction de petits constituants d’un système. Ce simple déplacement de conception peut offrir un chemin crucial en faveur de notre quête de découvrir une théorie quantique de la gravité. »

Il ne faut pas se cacher qu’il y a encore beaucoup de chemin à parcourir avant de prouver concrètement que ce but est atteignable.