La construction de la matière : le modèle standard

La physique quantique est certainement la plus grande aventure scientifique du XXe siècle et sera aussi, assurément, celle du XXIe siècle. Car le siècle qui commence sera quantique ! Depuis sa formalisation dans les années 1930, la mécanique quantique a volé de succès en succès, prédisant des phénomènes qui n'avaient jamais été observés. Ces trente dernières années, les progrès technologiques ont permis de réaliser enfin les expériences qu'avaient imaginées les pères de la mécanique quantique pour tenter de la mettre à l'épreuve. Force est de constater qu'elle a passé tous les tests sans montrer de faiblesses. Par son caractère contre-intuitif, la mécanique quantique déroute ceux qui l'abordent pour la première fois. Ses paradoxes déconcertants ont été et sont toujours le support de bien des fantasmes. Elle a alimenté des débats sans fin entre les plus grands esprits de la physique moderne. Elle fascine parce qu'insaisissable. Pourtant, l'outil mathématique est finalement assez simple : un lycéen peut le comprendre sans difficulté. Quant à en saisir la signification physique, c'est là une autre affaire ! Car si la mécanique quantique fonctionne bien, personne ne peut l'expliquer vraiment. C'est peut-être là que réside son plus grand paradoxe. Ce livre n'a pas la prétention de répondre aux interrogations que la physique quantique soulève. Il essaye seulement d'en pénétrer les mystères et de donner quelques clés pour aider à la comprendre. Des LASER aux horloges atomiques en passant par l'ordinateur quantique sur le point de nous livrer ses promesses, la physique quantique s'insinue toujours plus dans notre vie quotidienne. Ce livre se propose de parcourir ces applications pour mieux illustrer les phénomènes qui sont en jeu. La physique quantique est restée dans le fond un mystère mais l'homme a étonnamment appris à la maîtriser.

Résumé : L'espace et le temps se trouvent au coeur de notre expérience quotidienne du monde qui nous entoure et pourtant il nous est bien difficile d'en donner une définition parfaitement claire. Très tôt dans l'histoire de l'humanité, les mathématiques se sont emparées de ces notions : dès le IVe siècle avant J.-C., le mathématicien grec Euclide jetait les bases de ce qui allait être la géométrie et notre vision de l'espace pour les deux mille cinq cents ans à venir. Mais, au début du XXe siècle, les théories de la relativité restreinte et générale ainsi que la mécanique quantique allaient bouleverser cette vision classique. D'absolus et euclidiens, l'espace et le temps ont fusionné dans un espace-temps relatif et courbe, extensible comme une baudruche que les forges du Big Bang auraient gonflée en quelques fragments de nanosecondes. Quelles nouvelles représentations de l'espace et du temps nous a légué ce dernier siècle de physique dominé par la physique quantique et la cosmologie ? Ce livre tente d'expliquer en quoi les théories physiques du XXe siècle (la relativité restreinte et générale, la mécanique quantique, la théorie du Big Bang, le modèle standard, etc.) ont affecté notre conception de l'espace et du temps. Cette seconde édition a été enrichie par un chapitre consacré à la flèche du temps. De plus, elle a été mise à jour en prenant en compte les tous derniers développements dans le domaine de la cosmologie et de la physique théorique comme la mise en évidence des ondes gravitationnelles, la recherche de la nature de la matière noire, la théorie des supercordes, la gravité quantique à boucles, l'entropie des trous noirs, le rayonnement de Hawking, etc.

Qu'est-ce que l'univers ? Est-ce une chose qui répond aux mêmes lois que n'importe quel objet physique ou plutôt un concept qui porte l'idée de totalité ? De l'aube de la civilisation à nos jours, notre conception de l'univers a beaucoup évolué, passant d'une vision géocentrique et anthropocentrique à celle d'un Monde dépourvu de centre et où l'Homme n'est qu'un grain de poussière. Pour la cosmologie moderne, l'univers est définitivement un objet physique, doté d'une température, d'une structure, d'une histoire qui commence parle Big Bang et se termine peut-être par un Big Crunch. Cet ouvrage tente de livrer simplement l'état de nos connaissances actuelles sur l'univers. Il s'adresse à un large public, curieux et prompt à la réflexion. Après avoir resitué le concept d'univers dans une perspective historique, il dessine la vision qu'en donnent la relativité générale et la cosmologie moderne, les succès du modèle standard de la cosmologie qui remonte jusqu'à quelques fragments de nanosecondes après le Big Bang, les mystères du vide et de son incroyable potentiel créatif, les questions sans réponses que cachent encore la matière et l'énergie noires, et aussi les échecs face au "mur" infranchissable de la singularité originelle. Il donne quelques clés pour appréhender les enjeux de la gravitation quantique et ses conséquences cosmologiques : pourquoi a-t-elle vu le jour et pour répondre à quelles questions ? Tout au long de ce voyage à travers le cosmos, de l'infiniment petit à l'infiniment grand, ce livre ne perd toutefois pas de vue l'une des principales questions qui l'ont motivé : quel est le sens de cet objet insolite qu'est l'univers ?

Au IVe siècle av. J-C., Euclide jetait les bases de ce qui allait être la géométrie et notre vision de l'espace pur les deux mille cinq cents ans à venir. La mécanique newtonienne s'est emparée de ce modèle et a construit sur ces fondations la conception classique du mouvement, non sans succès (cf. l'impressionnante réussite de la loi de la gravitation universelle de Newton). Pourtant le triomphe de la physique classique n'allait pas durer: la découverte des phénomènes électromagnétiques et les premières explorations du monde microscopique donnèrent un coup fatal aux postulats de la mécanique classique. Très vite, les développements de la relativité et de la physique quantique apportèrent des modifications profondes de notre compréhension de l'espace et du temps, de la géométrie et du devenir de l'Univers. L'espace euclidien et absolu a cédé la place à un espace-temps relatif, courbe, quantifié et extensible comme une baudruche que les forges du Big Bang auraient gonflée en quelques fragments de nanosecondes. Finalement, après un siècle de nouvelle physique, que reste-t-il des notions d'espace et de temps que nous a léguées la physique classique? Quel sens donné à l'univers et à l'idée qu'il ait pu avoir un commencement? Ce livre tente d'expliquer, sans équations, en quoi les théories physiques du XXe siècle (la relativité restreinte et générale, la mécanique quantique, la théorie du Big Bang, la théorie quantique des champs, etc.) ont affecté notre conception de l'espace et du temps. Les grandes idées qui ont bouleversé la physique ce dernier siècle sont présentées en mettant en avant les enjeux physiques et parfois philosophiques qui ont guidé leurs concepteurs. Tout au long de l'ouvrage, le même esprit est respecté: souci de vulgarisation sans céder toutefois à la facilité. Les concepts fondamentaux sont introduits et expliqués à l'aide d'analogies accessibles par tout un chacun.