26-09-2017
 
 
SOMMAIRE

LA QUÊTE SCIENTIFIQUE

La découverte des lois simples qui engendrent la complexité de la matière est au cœur de la quête des physiciens.

Quelle explication permettrait d'unifier en une seule théorie les lois qui régissent le comportement de la matière dans le monde de l'infiniment petit et celles de l'infiniment grand ? Cette quête est au cœur des préoccupations des physiciens, note Marios Petropoulos, chercheur du Centre National de la Recherche Scientifique et enseignant à l'Ecole Polytechnique. Grec d'origine, il œuvre au Centre de Physique Théorique de l'école Polytechnique où il a obtenu son doctorat en 1991 dans le domaine de la théorie des cordes.

En Quête : Quand on songe aux coups de génie des grands physiciens, les Einstein et autre Newton, on se demande : comment ont-ils pu réaliser leurs découvertes ?
Marios Petropoulos
 : Les idées nouvelles marquent notre imaginaire. Coup de génie, dit-on. Pourtant ces découvertes sont le plus souvent le produit d'une longue gestation, le patient travail de fourmi de générations de chercheurs. Ainsi, ce sont les équations de Maxwell (1873) qui ont ouvert la voie aux travaux d'Einstein sur la relativité (1905 et 1915), et à ceux des pionniers de la mécanique quantique (Dirac, Heisenberg, Schrödinger, après les années 1920).

EQM : Vous étudiez la « théorie des cordes » depuis plus de dix ans...
MP
 : étudiant, j'étais fasciné par la physique théorique, par l'élégance de ses méthodes et la portée des concepts mis en œuvre : gravitation, relativité, mécanique statistique, mécanique quantique. C'est à la fin des années 1980, au cours de mes études préparatoires au Doctorat, que j'ai entrevu cette théorie où les particules élémentaires apparaissent comme modes de vibration de cordes infiniment petites.
À cette époque, on pensait que les cordes pourraient être la clef de voûte de la physique moderne des particules élémentaires, la théorie qui permettrait d'unifier les forces fondamentales de l'Univers. Quinze ans après, beaucoup des questions d'origine subsistent. Cependant les motivations se sont diversifiées et la théorie des cordes reste une source d'inspiration formidable, un défi intellectuel passionnant qui a irrigué de nombreux domaines de la physique et des mathématiques et qui attire nombre de jeunes chercheurs.
Un de ces défis serait de raccorder la théorie à des observations expérimentales concrètes dans différents domaines : c'est ce que l'on appelle la « phénoménologie des cordes ».

EQM : Dans votre réponse, vous abordez des notions qui nous échappent : forces fondamentales, particules élémentaires...
MP
 : On connaît quatre forces fondamentales qui régissent l'Univers, depuis les premiers instants qui ont suivi l'hypothétique Big Bang jusqu'à nos jours : d'une part la gravitation et la force électromagnétique qui sont les plus connues, d'autre part l'interaction forte et l'interaction faible, à courte portée, sensibles à l'échelle des noyaux. Aucune évidence expérimentale ne permet de penser qu'il en existe d'autres.
Depuis le début du 20e siècle nous explorons l'infiniment petit, le domaine des «  quanta » dont certains pourraient être élémentaires. Le modèle standard de la physique des particules développé depuis les années 1960, décrit ces constituants élémentaires et la façon dont ils interagissent et s'organisent en édifices plus complexes, en fonction des quatre forces fondamentales. On distingue notamment les « fermions », particules (quanta) de matière comme l'électron, des « bosons », particules d'interaction comme le photon, « particule de lumière » qui véhicule la force électromagnétique.

EQM : Vous parliez aussi de « l'unification » des forces...
MP
 : Unifier deux forces revient à découvrir le principe directeur qui leur est commun. Autrement dit, il s'agit de considérer ces deux forces comme deux facettes, deux manifestations de la même interaction. L'unification des forces permet de réduire le nombre de paramètres et d'hypothèses nécessaires à la description des processus physiques qui les impliquent. Ainsi, on sait depuis la fin du 19e siècle que les forces électriques et magnétiques sont des aspects différents d'une même et unique interaction entre corps chargés. On a découvert au 20e siècle l'interaction électrofaible qui unifie la force électromagnétique et la force « faible » de Fermi. On pense un jour découvrir la théorie de la grande unification, qui rassemblerait les quatre forces fondamentales.

EQM : Quatre forces seulement pour décrire l'ensemble des phénomènes de l'Univers connu : n'est-ce pas déjà une belle prouesse ? Pourquoi ne pas s'arrêter là ?
MP
 : Je vous retournerais la question : donnez-moi une seule bonne raison de m'arrêter là ! Pourquoi ne pas poursuivre la quête ? La compréhension de la complexité passe souvent par la simplification. C'est en tout cas un moyen d'exploration de la Nature qui s'est avéré fécond. La méthode scientifique consiste à déduire un ensemble cohérent de connaissances à partir d'un nombre limité d'axiomes, c'est-à-dire d'hypothèses de départ. L'objectif des scientifiques est toujours de retrouver le principe directeur, la règle cachée derrière un ensemble de faits observés ; de découvrir les lois simples qui engendrent la complexité.
Une théorie scientifique est donc d'autant plus riche que le nombre d'axiomes est limité au départ et que l'ensemble des connaissances, des propriétés déduites de ces axiomes, est vaste à l'arrivée. Voilà pourquoi la quête de l'unification des forces fondamentales de l'Univers se poursuivra aussi longtemps qu'un principe directeur, duquel découlerait l'ensemble des phénomènes que nous observons, fera défaut.
Peut-être que la Nature n'a pas choisi cette voie de l'Unification ? Peut-être que les li-mites de nos instruments de mesure ne nous permettront jamais de dévoiler tous ses Mystères ? Peut-être enfin n'employons-nous pas les bons moyens, les bonnes théories pour y parvenir ?
Dans tous les cas, notre quête n'est pas vaine. Des idées devenues stériles dans un contexte peuvent ensemencer un autre domaine de recherche. C'est le cas de la théorie des cordes. Tant qu'une théorie n'est pas infirmée, elle peut être source d'inspiration pour les scientifiques. Et même si l'expérience vient la contredire un jour, elle aura généralement pu ouvrir entre temps des voies nouvelles. ©EQm


Un aperçu en pdf
©M.Petropoulos
Marios Petropoulos
©NASA
 

La quête scientifique répond à des motivations profondes, propres à chaque chercheur. Certains sont peut-être animés par une quête spirituelle. « Je suis surtout motivé par le sens de l'esthétique », dit Marios Petropoulos, par la satisfaction de relever un défi, celle de contribuer humblement à comprendre des concepts qui expliquent l'infiniment petit et règlent l'infiniment grand.
 

 
 

CORDES : DU MACROSCOPIQUE AU MICROSCOPIQUE
Pour produire un son, le joueur de guitare fait vibrer des cordes : la fréquence de vibration fondamentale (la plus intense) définit la note, les harmoniques (vibrations moins intenses, multiples de la fréquence fondamentale) définissent le timbre. Depuis Pythagore, il y a 2600 ans nous savons que toute la richesse du son, tout le spectre des fréquences fondamentale et harmoniques, dépend d'un nombre très limité de paramètres dont la longueur de la corde, sa tension, sa densité, sa nature. Le génie des Pythagoriciens a été d'imaginer que cette harmonie transcendait le cadre des cordes et que l'Univers lui-même devait être régi par des lois simples, par un nombre de paramètres limités.
Cette idée très ancienne a resurgi à la fin des années 1960. Alors que les physiciens découvrent des particules impliquées dans l'interaction forte en nombre sans cesse croissant, ils se rendent compte qu'on peut les ordonner comme des notes dans une gamme. Ils font alors l'hypothèse de l'existence de cordes microscopiques qui vibrent et « entrent en résonance les unes avec les autres ». Toutes les particules observées peuvent alors êtres considérées comme des modes de vibration de ces cordes. La théorie des cordes permet alors de retrouver de très nombreuses propriétés de la matière microscopique interagissant par voie forte, à partir de très peu d'hypothè-ses et de paramètres de départ.
C'est dans ce contexte de l'interaction forte que la théorie des cordes est donc née. Elle a cependant vite évolué vers une théorie de grande unification des interactions fondamentales, et s'est révélée très féconde dans d'autres branches de la physique théorique et des mathématiques. Bien que dotée d'un formidable potentiel explicatif, cette théorie introduit de nouvelles questions, de nouvelles hypothèses. En outre, les cordes ne sont pas (voire ne seront jamais) observables par l'expérience : l'échelle des cordes n'est pas accessible à nos instruments de mesure. En revanche, les physiciens peuvent espérer tomber sur des échos expérimentaux, des traces de l'existence des cordes. Mais le lien entre les signes observés et la théorie ne sera pas facile à faire et nécessitera l'introduction de nouvelles hypothèses... Cette théorie ne fait donc que repousser les frontières de l'inconnu et les questions des scientifiques.
 


L'accélérateur de particules
à Grenoble.
 
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