Le monde des particules est inimaginable

Avertissement : ceci n’est pas un cours de physique des particules. Si vous cherchez à comprendre la structure de l’atome ou la physique quantique, vous trouverez quelques liens utiles en bas. Ce billet a pour seule ambition de vous faire comprendre que votre imagination n’est pas préparée à affronter cet univers étrange.

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La science de l’infiniment petit a ceci de particulier qu’elle nous parle d’un monde où tout ce que nous connaissons n’a plus de sens, et où rien de ce qui fait sens ne nous est connu.

Notre expérience quotidienne nous permet d'approcher ce qu’est une étoile (un grosse boule de feu, c’est imaginable), un tyrannosaure (hollywood n’a pas de soucis pour produire des images) ou même un virus (c’est petit, mais on peut encore faire un dessin). Même la gravité comme déformation de l’espace-temps, on arrive à l’imager (un drap tendu, un bille dessus… et voilà la déformation de l’espace-temps par la matière).

Pour voir à quel point notre expérience est inutile pour comprendre le monde de l’en-deçà (du picomètre), voici un petit tour de ces choses qui disparaissent à l’échelle de la physique quantique. Nous débuterons par les sensations de notre monde actuel, dont on veut bien admettre qu’elle puisse disparaître, pour arriver à ce qui est « la trame du monde », sans laquelle la physique devient vraiment déroutante.

1) La température et la pression

La température d’un gaz est liée à la vitesse moyenne des atomes et molécules qui le composent par rapport au centre de masse de ce gaz. Pour un solide, c’est un peu plus compliqué (il faut tenir compte d’autres formes d’énergie), mais le principe reste le même : la température est caractérisée par l’énergie cinétique (masse x le carré de la vitesse) moyenne. Par rapport à un référentiel, qui est l’ensemble des particules.

Prenez une particule individuellement, quelle est sa température ? La moyenne de sa vitesse par rapport à elle-même. C’est-à-dire... rien, en fait.

Et je ne vous parle pas (encore) des particules qui n’ont pas de masse, donc pas d’énergie cinétique, donc pas de température. L’infiniment petit n’est pas froid. Il est intempéré.

La pression est liée à la température (par une formule mathématique simplissime, en plus, mais on n’est pas là pour ça). Elle représente la force que les particules en mouvement exercent sur les surfaces.

Dans un gaz ou un liquide ayant une température, les molécules et atomes bougent. Et se cognent sur les bords (de la cocotte-minute, par exemple). Ils « poussent » le bord. La pression, c’est cette force, exercée par le gaz, vers l’extérieur du gaz (extérieur, extérieur… oui, bon, si vous mettez un capteur de pression au milieu de la cocotte, vous aurez la même pression que sur le couvercle, mais c’est juste parce que vous autre ajouté une frontière – un extérieur au gaz – au milieu de la cocotte). Mais une molécule toute seule, ça n’a pas plus de pression que de température.

2) Le lourd et le léger

Il y a des particules sans masse. Un truc, qui existe, et qui ne pèse pas. Et en me dites pas que vous n’en avez jamais vu : la seule chose que vous voyez réellement (les photons émis ou réfléchis par la matière qui vous entoure) n’a pas de masse. Et le photon n’est pas la seule particule sans masse, il y en a plein d’autres (que nous ne voyons pas).

Pire encore, à très haute énergie, celle qui régnait dans l’univers quelques fragment de seconde avant le big-bang (en remontant le temps), nos particules massives (quarks, gluons, électrons et autres) semblent perdre leur masse. La masse serait une propriété extérieure, due à une champ (de Higgs pour les intimes) qui n’est actif que dans une univers « froid ». Un proton qui aurait assez d’énergie (= de vitesse) n’aurait plus de poids…

3) Le plein et le vide

Un solide, c’est plein. On ne passe pas à travers.

Sauf quand on est tout petit. Chaque seconde, des centaines de milliards de particules (des neutrinos pour les intimes) vous traversent de part en part sans aucun effet ni pour vous, ni pour elles. Comment ? Le neutrino est très petit, très, très léger, et totalement neutre. Du coup, il n’interagit pas avec les particules de votre corps, et passe entre elles. Oui, entre elles, car il y a plein de place. Et plus on y regarde de près, plus il y a de place.

Notre corps est composé de molécules. A ce niveau-là, ça se touche encore à peu près. Mais pas trop non plus : dans l’eau liquide (qui constitue la majorité de votre corps), les molécules n’occupent qu’un centième de l’espace.

Et une molécule, c’est constitué d’atomes, eux-mêmes composés de protons, de neutrons et d’électrons. Et dans un litre d’eau, ces particules n’occupent plus de l’ordre de 1,5x10^-15 litre. Les particules atomiques n’occupent qu’un gros millième de milliardième de l’espace. Et on peut encore descendre (car un proton, c’est 3 quarks plus petits qui ne se touchent pas).

En fait, la question n’est pas pourquoi le neutrino nous traverse, mais pourquoi nous ne traversons pas les murs. C’est que le vide est plein. Plein de champs. Prenons le champs électrique par exemple : un atome d’hydrogène c’est un électron (chargé négativement) et un proton (chargé positivement), et le vide qui les sépare est rempli de leur champ magnétique. Qui interagit avec beaucoup de particule, qui ne pourront pas passer. Le neutrino, lui, est indifférent aux champs magnétiques, et il passe.

Ce principe du champs ne s’applique pas qu’à l’électromagnétisme : les 3 forces de la mécanique quantique - électromagnétisme, interaction nucléaire forte et interaction nucléaire faible -  ont chacune leur champ. Pour la gravité, c’est plus compliqué, car on n’a pas encore de modèle physique de la gravité à très petite échelle (en fait si, on en a, mais a un peu trop).

Encore ces champs sont-ils produits par des particules "dans le voisinage". Sans particule, on a du vrai vide, non ? Ben non. Le vide quantique a une énergie, il fourmille de particules virtuelles qui n’attendent qu’un peu d’énergie pour se matérialiser. Et qui parfois (tout le temps en fait) se matérialisent de leur propre chef, avant de s’annihiler. Peut-être serez-vous heureux d'apprendre que cette propriété du vide est à l'origine de l'effet Casimir, qui fait que deux plaques conductrices s'attirent d'autant plus fortement qu'elle sont proches (sans qu'elles soient chargé d'électricité).

Bref, le Neutrino passe dans les interstices du plein, par un vide qui n’est pas l’absence de tout.

4) La trajectoire et sa destination

Dans un expérience célèbre (les fentes d’Young, si vous voulez plus d’info), on essaye de faire passer des photons un par un dans un trou. Sachant qu’il y a deux trous possibles, on pourrait s’attendre à ce que certains photons passent par un trou, et d’autre pas l’autre. Les résultats déroutants de cette expériences (on n’observe pas deux nuages de points en face de chaque trou, mais des figures d’interférences) peuvent être interprété ainsi : chaque photon est passé à la fois par les deux trous en même temps. Parfois un peu plus par un trou que par l’autre.

Cette expérience est assez généralisable, et toute particule se comporte comme si elle parcourait tous les chemins possible (« l’intégrale des chemins » pour les physiciens), comme si au lieu d’une particule, nous avions une onde qui s’étale dans l’espace.

Vous pouvez chercher à savoir par où passe la particule, mais pour ça il faut mettre en place un dispositif expérimental qui, d’une façon ou d’une autre, change le comportement de la particule (qui fait comme si elle se comportait normalement).

5) Le sujet et l’objet

Ce qui nous amène à une autre surprise des particules quantiques : leur étrange bienveillance vis-à-vis du physicien. Car ces particules se laissent observer (il faut quand même y consacrer beaucoup d’énergie, au sens propre comme au sens figuré). Vous voulez connaître la position d’une particule ? Jusqu’à un certain niveau de précision, c’est possible. Vous voulez connaître la trajectoire d’une particule ? C’est possible aussi. Mais… attendez… on vient de dire que la particule n’avait pas de trajectoire bien défini. C’est vrai, si on ne la regarde pas. Si on la regarde, elle se laisse observer sur une trajectoire et pas sur l’autre. Et les figures d’interférences disparaissent : la particule cesse un instant de se comporter comme une onde.

L’interprétation ontologique de ce fait est un débat toujours vivace, mais le fait que l’expérience change la réalité est une contrainte forte. On ne peut plus faire comme si l’objet de l’expérience était disjoint du sujet expérimentateur. Et observer les superpositions d’état (le fait qu’un particule soit passée à la fois ici et là, qu’elle ait à la fois cette position et une autre, qu'elle "tourne" à la fois dans un sens et dans l'autre…) nécessite de déployer des trésors d’ingéniosité.

6) L’espace et le temps

Le temps, c’est la transition continue du futur vers le passé. Ce qui était avenir advient et devient advenu, telle est l’action du temps. Aucune définition de philosophe ne me satisfait vraiment (et vous admettrez que la définition précédente ne définit rien), mais le temps des physiciens est encore pire car, en plus de ne rien expliquer réellement, il défie le sens commun. Par exemple (et cela n’est pas propre à l’infiniment petit), il dépend de votre vitesse. Plus vous allez vite, plus le temps s’écoule lentement.

Et pour les particules qui n’ont pas de masse, qui vont à la vitesse de la lumière (le photon et ses amis), le temps ne s’écoule pas. Un photon n’a pas de passé, pas d’avenir, juste un présent. Ainsi va la vie dans le monde de l’infiniment petit.

Je parle d’infiniment petit, car le terme est entré dans le vocabulaire courant, mais je ne devrais pas. Ce n’est pas un infini.

Il y a une taille à partir de laquelle la physique quantique s’épanouit. C’est en gros celle de l’atome d’hydrogène (53 picomètre, ou 53 milliardième de millimètre).

Et il y a une taille en deçà de laquelle… les choses n’existent pas. Enfin, on ne sait pas si la notion de longueur existe. Cette dimension s’appelle le longueur de Plank, et représente de l’ordre de 10^-35 m (milliardième de milliardième de milliardième de millimètre), ce qui est certes très petit, pas infiniment petit.

Il semblerait donc que le petit soit fini. Ce qui est aussi inimaginable que le reste.

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Nous avons fait un tour de ce qui n’existe plus, ou pas de la même façon, en physique quantique. Mais alors qu’est-ce qui existe ? Rien que je puisse facilement imag(in)er. Alors, si vous voulez en savoir plus, il faudra poursuivre ailleurs, par exemple :

-       en 20 minutes : sur Futura Science pour une première passe (très légère)

-       en 1h30 : sur Youtube, une excellente vidéo d’Etienne Klein (c’est complexe, mais Etienne Klein est un pédagogue hors pair)

-       en quelques heures (et en librairie) :

• Lumière et Matière de Richard Feynman (cette série de conférence s’adresse à un public de non physiciens, mais il faut quand même s’accrocher un peu par moment – la notion d’intégrale des chemins y est particulièrement bien expliquée)
• Il était sept fois la révolution : Albert Einstein et les autres d’Etienne Klein – de la physique, de l’histoire des sciences, de l’humour… du Klein, quoi.

Au fait, il reste quand même une chose : la couleur ! La couleur, c’est une énergie, caractérisée par une longueur d’onde (celle du photon qui vous heurte le fond de l’œil). Et des énergies, des longueur d’ondes, il y en a à revendre dans le monde quantique. Il faudra juste trouver des noms pour les couleurs des choses invisibles.