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07- La construction de l’espace-temps par la matière/lumière

samedi 25 septembre 2010, par Faber Sperber, Robert Paris

« En vérité, les notions d’espace et de temps tirées de notre expérience quotidienne ne sont valables que pour les phénomènes à grande échelle. »

De Broglie dans « La physique nouvelle et les quanta »

UN ESPACE-TEMPS DIFFÉRENT SUIVANT LES ÉCHELLES

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Newton dans « Principia » : « L’espace absolu, sans relation avec les choses externes, demeure toujours similaire et immobile. (..) Des particules solides, compactes, dures et impénétrables (…) Est sans doute définitivement écartée l’idée que l’espace est physiquement vide » et il rajoute que « le vide n’est ni homogène ni isotrope »

« S’il n’y a pas de matière, il n’y a pas de géométrie. » Edgard Gunzig Article « Du vide à l’univers » dans l’ouvrage « Le vide »

A notre échelle, nous ne sommes pas seulement accoutumés à considérer la matière comme immuable, solide et impénétrable. Nous la voyons comme déroulant linéairement ses mouvements et ses changements dans un temps et un espace continus, d’avance définis et réguliers. Le choc n’a pas été moindre dans ce domaine que dans d’autres en constatant que cette image était remise en question à petite échelle. En effet, on constate que les notions de distance et de temps n’ont plus rien de continu et même disparaissent de façon intermittente !!!

Pire même on a constaté que les temps pouvait être remonté par des antiparticules, que des déplacements à vitesse supérieure à la vitesse maximum c étaient possibles et même … des déplacements instantanés sur des longues distances. C’est l’expérience d’Aspect et ses diverses variantes qui l’ont confirmé : à des distances excluant la transmission d’information en tant que déplacement normal, deux corpuscules ont des comportements identiques !

La source de ces étonnantes expériences a été trouvé : ce sont les propriétés du vide. Ce milieu ne connaît pas le temps ni l’espace tel que nous le concevions. Les apparitions et disparitions de particules et d’antiparticules en des temps inférieurs au temps de Planck ne permettent pas de définir un temps et une distance communs à ces corpuscules « virtuels ». L’agitation est trop importante pour définir des dimensions de l’espace-temps. Cela nous permet de constater que distance et temps ne sont pas préétablis comme les physiciens l’avaient toujours considéré. Ils émergent de la dynamique collective de la matière, comme la température émerge de la thermodynamique des molécules. C’est un phénomène statistique. Le temps et l’espace du vide sont construits en permanence par les interactions entre particules via les photons. Les photons « réels » définissent l’espace et les photons « virtuels » définissent le temps. Près de la matière, un photon rencontre sans cesse des particules et sont absorbées par elles avant qu’un nouveau photon soit réémis. Ce processus d’absorption/émission définit une distance de libre (sans absorption) parcours moyen. Cette distance donne une échelle locale de l’espace. Lorsque l’on va du vide aux masses matérielles, cette distance diminue sans cesse. C’est un mouvement irréversible qui définit un sens d’écoulement du temps qui n’existe que près des masses matérielles. Dans le vide, il n’y a aucun sens d’écoulement du temps. Plus on s’approche d’une grande masse de matière, plus l’écoulement du temps est rapide (relativité d’Einstein). Les grands espaces quasiment vides qui séparent les galaxies connaissent un écoulement du temps beaucoup plus long. Conformément au fait que les photons lumineux réels qui en mesurent la distance se déplacent à vitesse globalement constante, c, cela signifie que la distance mesurée est plus grande. Plus la matière se concentre plus le vide s’étend. Plus se constituent des étoiles et des galaxies et plus l’univers pris dans son ensemble d’étend. C’est le vide qui grandit et non les distances au sein de la matière. Cela signifie que la gravitation est un effet global opposé à l’expansion et non une interaction liée à une structure du type onde/corpuscule. La gravitation découle donc du processus qui construit en permanence la mesure de l’espace-temps.

La position dans l’espace et le temps et son évolution (vitesse, moment) ne peuvent être définis précisément pour les corpuscules matériels isolés. En effet, en l’absence de particules voisines avec lesquelles échanger des photons réels, ces derniers interagissent en permanence avec les photons virtuels du vide. Ce sont les interactions de Feynman corpuscules réels et virtuels s’échangent sans cesse. Un corpuscule virtuel peut se matérialiser à condition que le corpuscule réel voisin se dématérialise. C’est l’origine du caractère flou de la physique quantique. On ne peut pas dire exactement où est situé le corpuscule car il peut rapidement sauter d’un point à un autre, la matérialisation passant d’un corpuscule à un voisin. Du coup le corpuscule doit être considéré comme la somme des positions possibles et des états possibles.

Le corpuscule est situé n’importe où dans son nuage de polarisation parce que son interaction avec le vide le fait sans cesse disparaître et réapparaître dans ce nuage. Ce sont les interactions avec les couples particule/antiparticule du vide qui le réalisent. C’est ce que l’on appelle l’émission d’un photon et l’absorption d’un photon. Ce photon est produit par l’interaction de la particule et d’une antiparticule du vide. L’image moyenne du corpuscule ne peut du coup qu’être une probabilité de présence dans ce nuage. Les temps d’apparition et de disparition sont inférieurs au temps de Planck et ne peuvent être mesurés par la matière/lumière « réelle ». Les temps de parcours d’une particule d’une position à une autre dans son nuage de polarisation sont instantanés. Ce sont des sauts. Ils sont par contre mesurés par le vide en termes de photons « virtuels ». Un photon virtuel est un photon qui se déplace dans le temps en avant ou en arrière indistinctement. Il rend flou le temps local. En bougeant au sein du nuage, les particules dispersent le temps. A l’inverse les photons réels coordonnent le temps. C’est l’origine des lois de fermi pour les fermions (type électron) et des lois de Bose pour les bosons (type photon). Aux premiers est réservé le comportement individualiste et aux seconds le comportement grégaire. En dispersant le temps, la matière ne peut se coordonner durablement dans un même état. Au contraire, il est impossible de savoir exactement le nombre de photons qui sont rassemblés dans un même état.

Relativité : un déplacement à grande vitesse d’une particule proche de la vitesse de la lumière contracte les distance et étend le temps.

Le Big bang apparaît comme une expansion d’un monde physique alors que c’est en réalité une expansion des distances apparentes du vide. Au début de la libération de la lumière, autant de photons que de particules. Maintenant il y en a bien plus. Or ce sont les photons qui donnent les distances. Et les photons par volume de vide sont de plus en plus nombreux puisqu’il y a les photons du passé plus les actuels. Donc les distances diminuent dans le vide actuel par rapport au vide passé. D’où l’effet d’expansion du vide entre les galaxies et pas d’expansion entre deux fractions de la matière dans notre univers où il y a beaucoup de matière pour absorber les photons.

Dans une zone aussi petite soit-elle, dans une particule quelle qu’elle soit, il y a une zone positive et une zone négative électriquement. C’est une contradiction permanente à la base de toute la matière, même celle qui est électriquement neutre (même dans le neutron et même dans le photon). Deux particules de même signe se repoussent électriquement. Deux particules de signe contraire s’attirent mais entre deux particules qui s’attirent, il vient toujours s’intercaler d’autres couples particule/antiparticules qui les obligent à se repousser. Donc particules et antiparticules s’assemblent sans cesse et se séparent sans cesse. Quand deux particules opposées s’assemblent, elles forment un boson qui se dissocie en un couple particule/antiparticule.

Ce qui caractérise la matière, c’est son existence durable. Ce qui caractérise le vide, c’est l’existence brève de ses quantons qui sont dits virtuels mais, rappelons-le, qui sont bel et bien réels. Ils sont seulement éphémères car ils s’accouplent très rapidement même si c’est en un temps aléatoire. Quand ils s’accouplent ils forment un photon. Qu’est-ce qui rend la particule de matière un peu plus « durable » ? C’est une particule virtuelle qui a reçu un boson de Higgs. Quelle hypothèse peut permettre de comprendre ce qui rend une telle particule un peu plus durable, c’est-à-dire qui retarde son accouplement avec un quanton virtuel du vide voisin ? Le fait que la matière constitue une espèce de trou au sein du vide quantique et retarde ainsi les accouplements possibles. D’où pourrait provenir ce « trou », cet isolement de la particule de matière, dite « particule réelle », par rapport aux particules du vide qui sont ses voisines, dites particules virtuelles ? La particule qui aurait reçu un boson de Higgs émettrait une onde de matière, dite onde de Broglie, qui repousserait les quantons virtuels voisins. Ce faisant, il y aurait modification du temps désordonné du vide. Le temps du vide est marqué par la durée moyenne d’accouplement des quantons virtuels. Ce temps serait modifié par la présence de la particule de masse (particule ayant reçu un boson de Higgs) du fait de l’écartement des particules virtuelles voisines. Le temps local tel que nous le connaissons (et non pas tel qu’il existe dans le vide quantique) serait dû à un retardement des interactions avec les quantons virtuels de l’environnement vide. Si une particule se trouve elle-même non dans un environnement vide mais dans un environnement de particules, une moyenne d’interactions avec les quantons virtuels va s’établir, menant à un temps moyen ou temps local. Le déplacement moyen d’une particule durant ce temps va également définir un espace. La matière durable (dite réelle) va ainsi définir un espace et un temps.

Einstein dans « Physique et réalité » :

« (…) L’introduction du temps objectif se décompose en deux opérations indépendantes :

1) on introduit un temps local objectif en rapportant le déroulement chronologique de l’événement vécu aux indications d’une « horloge », c’est-à-dire d’un système isolé à évolution périodique 2) on introduit le concept de temps objectif pour les événements se produisant dans tout l’espace, élargissant ainsi le concept de temps local au concept de temps de la physique.

Remarque au sujet du (1). Faire précéder le concept de temps par celui de déroulement périodique ne constitue pas à mes yeux une pétition de principe, s’il s’agit d’éclairer l’émergence, voire le contenu empirique du concept de temps. Cette conception correspond tout à fait à l’antériorité du concept de corps rigide (ou pratiquement rigide) dans l’explication du concept d’espace.

Développement du point (2). Jusqu’à l’avènement de la théorie de la relativité a prévalu l’illusion selon laquelle il existait, au niveau de l’expérience vécue, une connaissance claire a priori de ce que signifiait la notion de simultanéité d’événements distants dans l’espace et, par là même, la notion de temps physique. Cette illusion a son origine dans notre expérience quotidienne, dans laquelle nous pouvons négliger le temps de propagation de la lumière. Aussi avons-nous coutume de ne pas faire la distinction entre « voir en même temps » et « se produire en même temps », de telle sorte que la différence entre temps et temps local est effacée.

Le flou qui entoure, au point de vue de sa signification empirique, le concept de temps en mécanique classique a été occulté dans les représentations axiomatiques, parce que celles-ci traitent l’espace et le temps comme quelque chose de donné indépendamment des impressions sensibles. (…) C’est avec une confiance parfaite dans la signification réelle de la construction espace-temps qu’ils (les premiers théoriciens en physique) ont édifié les bases de la mécanique, que l’on peut caractériser comme suit,

(a) concept de point matériel : objet matériel susceptible d’être décrit avec une précision suffisante, pour ce qui est de sa position et de son mouvement (…) (b) principe d’inertie : les composantes de l’accélération d’un point matériel suffisamment éloigné de tous les autres sont nulles (c) lois de force (pour le point matériel) : Force égale masse fois accélération (d) lois de forces d’interaction entre les points matériels

(…) La mécanique classique n’est rien de plus qu’un schéma général ; elle ne devient une théorie qu’à partir du moment où les lois de force (d) sont données de façon explicite, ainsi que Newton l’a fait pour la mécanique céleste avec un succès si considérable. (…)

Si nous cherchons maintenant à établir la mécanique d’un objet matériel qui ne peut être lui-même traité comme un point matériel – ce qui est, en toute rigueur, le cas de tout objet « perceptible par les sens » -, alors se pose la question suivante : comment faut-il concevoir l’objet en temps qu’assemblage de points matériels et quelles sont les forces qui doivent être supposées agir entre ces points ? (…)

Pour la génération actuelle des théoriciens de la physique, l’édification de nouvelles bases théoriques suppose les recours à des concepts fondamentaux qui diffèrent notablement de ceux de la théorie de champ considérée jusqu’ici. La raison en est que les physiciens se sont vus contraints d’adopter de nouveaux modes de pensée lorsqu’il s’est agi de donner une description mathématique des phénomènes dits quantiques.

En effet, alors que la faillite de la mécanique classique – dévoilée par la théorie de la relativité – est liée à la finitude de la vitesse de la lumière (au fait que celle-ci ne soit pas égale à l’infini), on découvrit à l’orée de ce siècle des divergences entre les conclusions de la mécanique et les faits expérimentaux, divergences liées à la finitude de la constance h de Planck (au fait qu’elle ne soit pas égale à zéro). (…)

La question se pose en ces termes : comment assigner à un système donné, tel qu’on le conçoit en mécanique classique (où l’énergie est une fonction donnée des coordonnées et de leurs moments conjugués), une suite de valeurs discrètes de l’énergie ? »

Einstein, après avoir démoli la notion d’éther dans la relativité restreinte, reconnaît l’existence physique du vide dans la relativité généralisée dans son étude : « L’éther et la théorie de la relativité » :

« Pour nous résumer, nous dirons donc que l’espace est, selon la théorie de la relativité générale, doté de qualités physiques et qu’en ce sens il existe un éther. D’après la théorie de la relativité générale, un espace sans éther est impensable, car dans un tel espace non seulement la lumière ne pourrait se propager, mais aussi les règles et les horloges ne pourraient pas exister et il n’y aurait donc pas de distances spacio-temporelles au sens de la physique. Mais il ne faut pas s’imaginer cet éther comme doté de la propriété qui caractérise les milieux pondérables : être constitué de parties que l’on peut suivre au cours du temps ; on ne doit pas lui appliquer le concept de mouvement. »

Extraits de « Sciences et dialectiques de la nature » (ouvrage collectif – La Dispute) « Les équations de Maxwell, tout comme les résultats expérimentaux, indiquaient que la lumière se propage, dans tout référentiel, toujours à la même vitesse c ; or cette circonstance est en contradiction avec la mécanique rationnelle galiléenne, puisqu’elle viole de manière flagrante l’une des lois essentielles de cette mécanique, la loi de composition des vitesses qui interdit à toute vitesse d’être un invariant. (…) Einstein prend acte de l’invariance de la vitesse de la lumière dans le vide qu’il interprète désormais comme la constante universelle traduisant l’impossibilité d’interaction instantanée à distance et il réadapte l’ensemble de la mécanique rationnelle à la prise en compte de cette contrainte (…) Einstein fait valoir en effet que si l’on tient compte du temps que met la lumière à se propager, il est impossible de décider de manière absolue de la simultanéité de deux événements spatialement séparés, alors que la simultanéité était une notion absolue en mécanique rationnelle galiléenne et newtonienne. (…) Le temps lui-même perd le caractère absolu qu’il avait dans l’ancienne mécanique rationnelle. (…) Einstein a pu quelques années plus tard élaborer une nouvelle théorie de la gravitation universelle, la relativité générale, selon laquelle le champ gravitationnel est relié aux propriétés géométriques de l’espace-temps. »

article « Le réel, à l’horizon de la dialectique » de Gilles Cohen-Tannoudji

Atome : rétroaction de la matière/lumière et du vide (de la microphysique à l’astrophysique)

* 01- Les contradictions des quanta

* 02- La matière, émergence de structure au sein du vide

* 03- Matière et lumière dans le vide

* 04- Le vide, … pas si vide

* 05- Le vide destructeur/constructeur de la matière

* 06- La matière/lumière/vide : dialectique du positif et du négatif

* 07- La construction de l’espace-temps par la matière/lumière

* 08- Lumière et matière, des lois issues du vide

* 09- Matière noire, énergie noire : le chaînon manquant ?

* 10- Les bulles de vide et la matière

* 11- Où en est l’unification quantique/relativité

* 12- La symétrie brisée

* 13- Qu’est-ce que la rupture spontanée de symétrie ?

* 14- De l’astrophysique à la microphysique, ou la rétroaction d’échelle

* 15- Qu’est-ce que la gravitation ?

* 16- Big Bang ou pas Big Bang ?

* 17- Qu’est-ce que la relativité d’Einstein ?

* 18- Qu’est-ce que l’atome ?

* 19- Qu’est-ce que l’antimatière ?

* 20- Qu’est-ce que le vide ?

* 21- Qu’est-ce que le spin d’une particule ?

* 22- Qu’est-ce que l’irréversibilité ?

* 23- Qu’est-ce que la dualité onde-corpuscule

* 26- Le quanta ou la mort programmée du continu en physique

* 25- Lumière quantique

* 26- La discontinuité de la lumière

* 27- Qu’est-ce que la vitesse de la lumière c et est-elle indépassable ?

* 28- Les discontinuités révolutionnaires de la matière

* 30- Qu’est-ce qu’un système dynamique ?

* 31- Qu’est-ce qu’une transition de phase ?

* 32- Quelques notions de physique moderne

* 33- Qu’est-ce que le temps ?

* 34- Henri Poincaré et le temps

* 35- La physique de l’état granulaire

* 36- Aujourd’hui, qu’est-ce que la matière ?

* 37- Qu’est-ce que la rupture de symétrie (ou brisure spontanée de symétrie) ?

* 38- Des structures émergentes au lieu d’objets fixes

* 39- Conclusions provisoires sur la structure de la matière

* 40- L’idée du non-linéaire

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