Au cœur de l’atome (à g.) le noyau; au cœur du noyau, les neutrons et les
protons; dans chacun d’eux, trois quarks. Et la recherche continue…
L’image d’une collision d’électrons, au CERN. La première preuve
de l’existence du champ de Higgs?
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«Par
convention sont le doux et l’amer, le chaud et le froid; en vérité,
il y a les atomes et le vide.»
Démocrite,
philosophe grec (vers 460-400 av. J.-C.)
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Notre
univers ordonné serait né du big-bang, lui-même apparu sur fond
de rien. Et si ce rien était un univers antérieur, constitué
de supercordes?
Remontons l’histoire
de notre univers jusqu’à ses premiers instants. Une même harmonie physique
– propice à l’ordre cosmique et naturel, et aux humains – préside à
tous les épisodes. Mais, aussitôt qu’on parvient au chapitre des origines,
on pénètre en enfer: les températures dépassent celles
du noyau de notre Soleil, la matière paraît frappée d’hystérie,
des forces incontrôlables désintègrent la moindre structure.
Enfonçons-nous encore plus loin dans le passé et l’on sort de ce chaos
furieux pour atteindre un néant paisible et indistinct.
Voilà une fin – ou plutôt un début – qui ne satisfait personne.
Jusqu’ici, on a peu progressé dans l’exploration de cette curieuse mutation
du rien en un tout brûlant et déchaîné. Cela ne signifie
pas que les savants aient évacué la question. La notion d’un engendrement
du cosmos à partir d’une «particule-Dieu» ne résolvant
pas la question, ils s’efforcent d’explorer une autre voie. Déchiffrer l’histoire
d’avant le big-bang les intéresse donc moins que d’identifier la raison pour
laquelle d’un chaos insondable émerge un endroit ordonné.
Gabriele Veneziano tient peut-être une réponse. Selon ce grand physicien
théorique italien, la réalité que nous percevons est «soutenue»
par une autre réalité: les supercordes, qui, vibrant en dix ou onze
dimensions, créent et composent tout l’univers à partir de leurs minuscules
frémissements.
Décoder cette version de la naissance du cosmos nécessite une odyssée
à travers toute la physique du xxe siècle. La théorie des supercordes
et ses variantes sont issues des deux grandes percées théoriques de
ses premières décennies – la relativité générale
et la mécanique quantique. Selon la première, une image convaincante
de l’univers peut-être rapportée à un point initial ou «singularité»,
d’une densité massive, peut-être même infinie. Le monde des quantas
– la deuxième théorie – autorise des incursions à l’intérieur
de l’atome, puis de ses composants (les protons, les neutrons et les électrons),
et enfin – si l’on possède l’équipement et l’agilité d’esprit
nécessaires – des composants de ses composants.
Dans
l’atome, plus de 60 particules
Combinons ces deux perspectives théoriques. Si l’univers est né de
l’ébullition d’une «soupe primordiale», elle ne pouvait contenir
que les unités de matière les plus élémentaires. Trouver
les règles qui les gouvernent est donc la voie royale pour comprendre l’apparition
du cosmos.
Jusqu’à la fin de l’année 2000, la capitale mondiale de ces recherches
était un minuscule territoire, à cheval sur la frontière franco-suisse
et occupé par un tube circulaire enveloppé d’aimants puissants: le
CERN, le laboratoire européen de recherche nucléaire. Le principe de
son fonctionnement est simple: on lance un couple d’électrons, qui parcourt
ce circuit, de 27 kilomètres, 11 000 fois par seconde (presque la vitesse
de la lumière). Quand ils éclatent dans une violente collision, on
observe le choc.
Ces recherches reposent sur une formule fondamentale d’Einstein: E = mc2, qui établit
une équivalence entre l’énergie et la masse. Accélérez
le mouvement d’une particule subatomique comme un électron ou un proton jusqu’à
la vitesse de la lumière, envoyez-la s’écraser contre une autre, et
les énergies accumulées dans cette course s’éparpilleront en
particules plus massives et très éphémères – exactement
comme celles qui dominaient l’univers primitif et qui se sont coagulées quand
l’espace s’est refroidi.
Un nouvel accélérateur entrera en fonction, en 2005 au CERN: le grand
collisionneur de hadrons. Muni d’un champ magnétique 100 000 fois supérieur
à celui de la Terre, il sera capable de recréer les conditions subatomiques
qui prévalaient dans la première picoseconde de l’univers (10–12 secondes). «Nous
allons pouvoir explorer des distances internes à la matière peut-être
dix fois inférieures à tout ce que nous avons vu jusqu’ici»,
explique John Ellis, physicien au CERN.
Avec ces expériences et leur travail théorique, les savants ont désagrégé
l’atome et les forces qui gouvernent ses mouvements en plus de 60 particules – une
vraie ménagerie!
Des
univers en palier, reposant l’un sur l’autre
L’histoire est loin d’être complète. Enumérer les quarks et les
photons, et calculer leur puissance, tout cela est bel et bon. Mais comment expliquer
l’apparition de cette diversité bien structurée de composants à
partir d’un bouillonnement initial? Et – question peut-être encore plus importante
– où intervient la gravitation? La particule censée la porter, le graviton,
n’a jamais été observée.
En quête d’une réponse, la communauté scientifique a recouru
à l’idée d’unification: plus on pénètre en profondeur
dans les composants de la matière, plus les formules doivent être générales
et élégantes.
Pour élaborer une théorie unifiée de la nature, on sait déjà
quelle direction emprunter. Avant de rendre son dernier soupir, l’accélérateur
du CERN a donné les premiers indices expérimentaux de ce qu’on appelle
le champ de Higgs. C’est un champ de force, comme le champ électromagnétique,
dans lequel les particules entrent (ou non) en interaction et obtiennent leur masse.
«Vous faites cuire des pâtes et vous ajoutez de l’huile d’olive, dit
John Ellis. Quand le tout refroidit, l’huile se sépare. Ce que nous tentons,
avec le nouvel accélérateur, c’est de porter l’eau à ébullition
pour voir les différences s’évaporer1.»
Mais cela ne résout pas l’énigme de la force gravitationnelle. John
March Russell, un physicien du CERN, s’enthousiasme pour une hypothèse exaltante:
si la gravitation est d’une telle faiblesse comparée aux autres forces, c’est
parce que son énergie est massivement pompée dans d’autres dimensions.
Dans ce cas, soutient-il, le nouvel accélérateur révélerait
beaucoup plus que de nouvelles particules. L’énergie pourrait être aspirée
dans ce «monde du dessous», ou bien, hypothèse encore plus radicale,
de minuscules trous noirs apparaîtraient pour une fraction de seconde.
Ces «nouvelles» dimensions ne rendraient-elles pas les particules élémentaires
encore plus énigmatiques? Au contraire, ce serait la première preuve
de l’existence des cordes. «En théorie, le problème de la gravitation
et la théorie des cordes se marient à merveille», souligne March
Russell.
Mais que sont, au juste, ces cordes magiques? Depuis une trentaine d’années,
les théoriciens s’échinent pour expliquer comment des éléments
en forme de cordes – d’environ 10–32 cm de long, donc invisibles
dans toutes les expériences possibles – engendrent toutes les particules et
toutes les forces connues, y compris la gravitation. Si cette théorie était
vérifiée, on tiendrait enfin le principe fondamental qui insuffle forme
et fonction dans l’univers.
La taille infinitésimale des cordes et leurs multiples dimensions confinent
la théorie à un haut niveau d’abstraction. Gabriele Veneziano, physicien
au CERN lui aussi, ne recule pas devant cet inconvénient. Pas plus que devant
la probable nécessité de récrire l’histoire de la création.
Les conséquences sont révolutionnaires. Aucune singularité infiniment
dense ne peut avoir existé au commencement de l’univers, en raison de la taille
irréductible des cordes. Le scénario suppose donc une «préhistoire».
«Il se pourrait qu’elle ait duré très longtemps à partir
d’un univers banal, infini, riche en ondes gravitationnelles, dans lequel se forme
une région superdense», propose Gabriele Veneziano. «Le début,
c’est la formation d’un trou noir.» Les ondes piégées dans ce
trou entrent en interaction sous forme de cordes. Une force parente de la future
gravitation provoque une expansion éclair de l’espace, puis, lors du big-bang,
l’ère des cordes fait place à celle des particules et des planètes,
la nôtre.
Cette théorie soulève de nombreuses questions. Mais l’idée est
vertigineuse: la réalité évoluerait sur des univers en palier,
chacun reposant sur le précédent! «Dans le monde d’aujourd’hui,
le château est détruit – c’est un tas de gravats, explique John Ellis,
mais la structure initiale pouvait fort bien être unique, et, en un sens, très
simple et très belle.»
1. Une autre
piste de recherche pourrait aussi aboutir à une unification: la théorie
de la «supersymétrie». Elle suppose qu’un équilibre fondamental
existe au niveau quantique. A très haute énergie, les «superpartenaires»
des particules connues se laisseraient furtivement observer. |
