The Fabric of the Cosmos (Brian Greene)

Space, Time and the Texture of Reality
dimanche 1er mai 2005
par  Alain BRUYERE

1. Brian Greene est un des spécialistes mondiaux de la théorie des cordes. Dans son livre précédent, intitulé, « L’univers élégant », Brian Greene nous avait déjà fait découvrir comment cette théorie des cordes représentait un des espoirs des physiciens et mathématiciens pour résoudre le problème de l’inconsistance des équations de la mécanique quantique et de la théorie de la relativité générale lorsqu’elles sont considérées simultanément, vu qu’elles amènent à considérer des probabilités infinies, ce qui est bien sûr absurde. Reprenant les principes de base de ces deux théories en nous les expliquant de manière magistrale, il nous emmenait dans un monde mathématique où des espaces à dimensions de plus en plus élevées finissaient cependant par nous égarer au point qu’il devenait parfois impossible de comprendre encore ce que pourrait représenter ce monde des « cordes » et des « super-cordes ».
Dans « The Fabric of the Cosmos », Brian Greene reprend les mêmes thèmes mais son approche de manière globale est plus précise en tout cas plus compréhensible par celui qui ne peut s’élever dans des niveaux d’abstraction mathématique que seuls les spécialistes peuvent atteindre et surtout, il aborde les points de manière plus globale en considérant les aspects de la réalité, de l’espace, du temps, de l’entropie, de la physique relativiste et quantique, de la cosmologie, du big-bang et du modèle standard et inflationaire et petit à petit il nous emmène cette fois par la main vers la théorie des cordes, de la super-symétrie et du monde des brânes.

Je vais donc morceau par morceau résumer ce livre passionnant en suivant en gros les chapitres du livre. Ce premier article concerne les chapitres 1-2-3

Repartant donc de cette difficulté de faire coexister la mécanique quantique et la relativité générale, et plus spécialement au big-bang, dans l’infiniment petit et l’infiniment dense et l’infiniment chaud et l’infiniment court, là où les équations de la mécanique quantique et celle de la relativité générale d’Einstein, n’ont plus de signification car elles donnent des solutions impossibles, Brian Greene nous remet d’abord en mémoire les bases des différentes théories liées à la « réalité ».

2.1 Dans la réalité classique, celle de Newton, l’espace et le temps sont absolus et immuables. Le mouvement accéléré produisant la notion d’espace absolu et celle du mouvement de la lumière, l’ether. Déjà avec Maxwell, la lumière devenait un voyageur solitaire, elle n’avait pas besoin d’ether, elle pouvait se propager à travers l’espace vide, avec Einstein, sa vitesse devenait absolue.

2.2 De fait, dans la réalité relativiste, l’espace est relatif et le temps également, et c’est paradoxalement l’espace-temps qui est absolu. Comparées à Newton, les structures d’espace et de temps selon Einstein sont flexibles et dynamiques. Repartant d’une expérience simple de la rotation d’un seau rempli d’eau et qui tourne sur lui-même, Brian Greene aborde les aspects de la vitesse, de l’espace, du temps et de la gravité et nous donne finalement un tableau résumé des conceptions de Newton, Leibniz, Mach et Einstein

Newton : l’espace est une entité, le mouvement accéléré n’est pas relatif ; le point de vue est « absolutiste »
Leibniz ; l’espace n’est pas une entité, tous les aspects du mouvement sont relatifs ; le point de vue est « relativiste »
Mach : l’espace n’est pas une entité, le mouvement accéléré est relatif à la distribution moyenne de la masse dans l’univers ; le point de vue est « relativiste »
Einstein : l’espace et le temps sont individuellement relatifs, l’espace-temps est une entité absolue

2.3 Dans la réalité quantique, la meilleure chose que l’on puisse espérer, c’est de prédire la probabilité que les choses seront d’une manière ou d’une autre à un moment donné dans le futur ou que les choses ont été d’une manière ou d’une autre à un certain moment du passé. En ce sens, la mécanique quantique décrit une réalité dans laquelle les choses parfois se passent partiellement d’une certaine manière et partiellement d’une autre manière. Dans ce monde, les choses prennent en quelque sorte une tournure définitive uniquement lorsqu’une observation les oblige à quitter les « possibilités » quantiques et à prendre un résultat précis (décohérence) . Le résultat qui se réalise ne peut cependant être prédit, seulement la probabilité que les choses se réalisent d’une manière ou d’une autre. De plus, la mécanique quantique implique que quelque chose qui se passe ici peut être instantanément lié à quelque chose qui se passe là-bas, quelle que soit leur distance. Deux objets peuvent donc être séparés, en ce qui concerne la mécanique quantique, c’est comme s’ ils faisaient partie de la même entité (non-localité). En ce sens, il y a violation du principe lié à la relativité restreinte qui veut que rien ne puisse dépasser la vitesse de la lumière.

2.4 Dans la réalité cosmologique, la flèche du temps indique la direction et le sens dans lesquels les choses se déroulent. Les choses vieillissent mais ne rajeunissent jamais. Or dans les équations de la physique fondamentale, aucun signe de cette asymétrie n’apparaît, le fait que le temps s’écoule dans un sens plutôt que dans l’autre n’a pas d’influence sur ces équations. Brian Greene introduit ainsi le problème de l’entropie et le fait que ce sont des conditions physiques spéciales au moment de la naissance de l’univers qui ont imprimé cette flèche du temps. Brian Greene nous explique alors la théorie de la cosmologie inflationaire qui modifie la théorie du big-bang en insérant une très brève formidable expansion qui aurait eu lieu dans les tous tous premiers moments de l’univers, là où il aurait eu un niveau d’ordre très très élevé et à partir duquel il n’y aurait plus eu qu’une certaine « inertie » de cette expansion qui serait tout simplement en réalité cette flèche du temps caractéristique d’une dérive lente mais constante de l’ordre vers le désordre, cette entropie qui ne cesse de croître, et de l’expansion de l’univers qui continue de subir cette formidable poussée initiale.

2.5 Le problème final qui en résulte est qu’en combinant les équations de la mécanique quantique avec celles de la relativité générale, on obtient des résultats tout à fait absurdes. Brian Greene nous introduit alors la théorie des super-cordes comme une théorie qui au lieu de considérer les quarks, électrons, et autres particules découvertes par l’expérience comme des particules ponctuelles, les considère comme formées de très fins filaments similaires à des cordes qui vibrent. Cette théorie nécessite 10 dimensions (9 spatiales et 1 temporelle) et nous n’en ressentirions que 4 (3 spatiales et 1 temporelle) les autres dimensions spatiales étant tellement infimes qu’elles seraient en quelque sorte recourbées sur elles-mêmes et nous ne les « verrions » pas.

2.6 La relativité restreinte : Brian Greene nous rappelle également les principes et les conséquences de la relativité restreinte : si la vitesse de la lumière est Cte, c’est une Cte dans l’espace-temps, entendez : la vitesse de la lumière a une composante spatiale et une composante temporelle (un peu comme si elle avait une composante selon l’axe X et une composante selon l’axe Y) et c’est la somme de ces deux composantes qui est Cte. Si sa composante temporelle est nulle, alors sa composante spatiale est maximale = 300.000 kms/s. Si sa composante spatiale est nulle, alors sa composante temporelle est maximale. Un photon par exemple a la composante temporelle de sa vitesse nulle, et donc la composante spatiale de sa vitesse est de 300.000 kms/s. Pour un photon, la notion de temps ne signifie rien du tout puisque pour lui, le temps n’existe pas car il voyage à la vitesse de la lumière, 300.000 kms/s à travers l’espace. Pour un observateur en mouvement dont la vitesse spatiale par rapport à un observateur au repos n’est pas nulle, le temps semble donc passer plus lentement que pour l’observateur au repos. Pour cet observateur en mouvement, une partie de la composante temporelle de sa vitesse-lumière, s’est transformée en composante spatiale, la somme des deux composantes étant toujours la même, tandis que pour l’observateur au repos, la composante temporelle de sa vitesse lumière n’a pas changé, elle représente la totalité de sa vitese, la composante spatiale étant, elle, nulle. Et donc, l’observateur en mouvement ralentit « dans le temps » par rapport à l’observateur au repos. En quelque sorte, se déplacer à la vitesse de la lumière dans l’espace comme le fait un photon, ne laisse aucune possibilité de se déplacer dans le temps et se déplacer à la vitesse de la lumière dans le temps, ne laisse aucune possibilité de se déplacer dans l’espace. Ceci donne lieu à la notion de relativité de la simultanéité. Des observateurs en mouvement l’un par rapport à l’autre, ne sont pas d’accord sur la notion de simultanéité, ils ne sont pas d’accord sur quelles choses se passent au même moment. Brian Greene nous donne alors l’image d’un pain, dont chaque tranche serait une tranche d’espace-temps, et au plus la vitesse relative de deux observateurs serait grande, au plus large serait l’angle constitué par les tranches respectives d’espace-temps de ces deux observateurs, l’angle maximum de 45° étant atteint quand la vitesse relative atteint celle de la lumière. Donc pour Einstein, pour que la trajectoire d’un objet à travers l’espace-temps soit « droit », il doit non seulement se mouvoir selon une ligne droite mais encore son mouvement doit être uniforme dans le temps, il doit donc être constant en direction et en vitesse et ne peut donc pas accélérer. Si un objet suit une trajectoire dans l’espace-temps autre que droite, il accélère. Inversement, s’il accélère, c’est qu’il n’effectue pas dans l’espace-temps un mouvement en ligne droite, mais une trajectoire courbée. Donc la forme géométrique d’une trajectoire dans l’espace-temps fournit la norme absolue pour déterminer si quelque chose accélère ou pas.

2.7 La relativité générale : Brian Greene nous rappelle qu’en ce qui concerne la relativité générale, ce qui est mis en jeu ce sont la gravité et l’accélération. Si on est en mouvement à vitesse constante, on ne sent rien, tandis que si on est en accélération, on sent quelque chose. Einstein réalisa en fait que la gravité et le mouvement accéléré sont les deux faces d’une même réalité. La force que l’on ressent due à la gravité et la force que l’on ressent suite à une accélération sont les mêmes, elles sont équivalentes (principe d’équivalence). En combinant le principe de relativité restreinte et le principe de relativité générale, Einstein conclut : vu que la gravité et l’accélération sont équivalentes, si on sent l’influence de la gravité, c’est qu’on subit une accélération. Dès lors, la référence quand il s’agit de « parler » de mouvement, c’est bien celle de la stationnarité comprise comme « ne subissant aucune force » et c’est bien cette « chose » qui ne subit aucune force, donc qui n’accélère pas, qui constitue la référence pour comparer tout mouvement. Allant un pas plus loin, Einstein en conclut alors que puisque gravité et accélération sont équivalents, la gravité elle-même n’est rien d’autre que plis et courbes de l’espace-temps. En effet, si déviant de la ligne droite dans l’espace-temps pour prendre une trajectoire incurvée ou courbe, je dis que c’est parce que j’accélère et que, accélération est équivalent à gravité, c’est que la gravité est cette courbure de l’espace-temps. Et ce qui provoque cette courbure, ces rides, ces plis et ces courbes, ce sont la matière et l’énergie. Ainsi la terre dans le voisinage du soleil effectue une trajectoire courbe. Einstein voyait aussi cette courbure de l’espace-temps comme la manifestation, l’incarnation, la personnification géométrique, d’un champ gravitationnel qu’il fut capable mettre en équations comme l’avait fait Maxwell avant lui avec le champ électromagnétique. Avec ces équations, Einstein démontra que l’influence du champ gravitationnel se transmettait dans le temps à la vitesse de la lumière, c-à-d que la vitesse avec laquelle la forme de l’espace-temps se modifie, ou encore avec laquelle les rides et les ondulations se propagent de place en place dans le temps est exactement celle de la lumière. La gravité ne se transmet donc pas instantanément, mais elle « voyage » à exactement la vitesse de la lumière. La relativité générale fournit donc une scène où peuvent danser ensemble l’espace, le temps, la matière et l’énergie. Quand l’univers est vide, pour Einstein, la relativité générale se réduit à la relativité restreinte. Cependant, en relativité générale, si l’espace-temps est aussi absolu, l’espace et le temps sont des entités dynamiques qui peuvent changer car elles sont « influencées » par la présence de matière et d’énergie.


Commentaires  forum ferme

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mercredi 28 décembre 2005 à 23h39 - par  Alain BRUYERE

Exact et j’ai d’ailleurs acheté le livre en français que je vais relire après avoir lu la version anglaise. J’espère pourvoir continuer mon compte rendu.

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lundi 26 décembre 2005 à 17h21 - par  Bertrand LALLOUR

Je relève une interview de Brian Greene dans le no. du "Point" du 15 décembre 2005, par Emilie Lanez, intitulée " Le plus grand boulversement dont Einstein rêvait". Il semble que son livre annoncé, "La magie du Cosmos", chez Robert Laffont, soit la traduction francaise du livre analysé ci desus par Alain Bruyère, "The fabric of Cosmos".

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