Un buste de Max Planck est rapidement dépoussiéré. Planck est connu comme l'un des pères fondateurs de la théorie quantique. Michael Gottschalk/AFP/Getty Images Le plus souvent, les questions qui se posent au cours de la journée sont celles auxquelles nous pouvons tous répondre avec assez de confiance. As-tu déjeûné? Avez-vous entendu la nouvelle chanson de Taylor Swift ? Est-ce un confessionnal sur un garçon avec qui elle est sortie une fois ?
Mais lorsque nous commençons à réfléchir aux grandes questions - celle que nous abordons aujourd'hui demande si la mécanique quantique et la relativité générale pourront jamais être conciliées - notre assurance s'effondre. La mécanique quantique n'a-t-elle pas quelque chose à voir avec les planètes ? La relativité générale est-elle celle dont l'énergie est égale à la masse multipliée par la vitesse de la lumière au carré ? Attendre, était-ce une masse ou un mouvement ? Ou minutes. C'est des minutes, n'est-ce pas ?
Sans peur. Bien qu'il soit extrêmement difficile de répondre à cette question, la question elle-même est aussi simple que de déchiffrer les paroles d'une pop star. Avant de commencer à résoudre l'univers insoluble, décomposons les composants.
Commençons par aborder la mécanique quantique. Et c'est un bon endroit pour commencer, parce que c'est l'étude de quelque chose d'extrêmement petit -- la matière et le rayonnement aux niveaux atomique et subatomique. Ce n'est vraiment que lorsque les scientifiques ont commencé à comprendre les atomes que la physique ancienne régulière a eu besoin d'un petit amendement. Parce que pendant que les scientifiques regardaient les atomes, ils ne se sont pas comportés comme le reste de l'univers. Par exemple, les électrons n'ont pas en orbite autour du noyau comme une planète en orbite autour du soleil - si c'est le cas, ils se seraient enfoncés dans le noyau [source :Stedl].
Il est devenu clair que la physique classique ne l'a pas coupé à l'échelle atomique. La mécanique quantique est donc née d'une nécessité de comprendre comment de très petits phénomènes agissaient différemment des grandes choses en science. Ce que nous avons découvert, c'est que quelque chose comme un photon pouvait agir comme une particule (qui transporte de la masse et de l'énergie) et une onde (qui ne transporte que de l'énergie). C'est un gros problème - cela pourrait être deux choses à la fois. Et cela signifie que les plus petites parties de l'univers fluctuent considérablement, et sans aucun moyen de connaître l'emplacement particulier à tout moment.
Alors maintenant, nous comprenons que la mécanique quantique a essentiellement fait exploser notre façon de penser l'univers (quand il s'agit de la plus petite des échelles). Les particules peuvent être des ondes, par exemple. Juste pour ajouter au plaisir, le principe d'incertitude de la mécanique quantique nous dit que nous ne pouvons pas vraiment dire où se trouve une particule ou à quelle vitesse elle se déplace en même temps.
Einstein ne l'avait pas. L'idée que nous ne pouvions pas vraiment dire où se trouvait une particule ou ce qu'elle faisait a dû être profondément troublante pour un physicien dévoué à la définition de la façon dont l'univers fonctionnait – ce qu'a fait Einstein, avec la théorie de la relativité générale.
Maintenant, n'ayez pas peur. La relativité générale a deux grandes idées :une sur l'espace et le temps, un autre sur la gravité. Comme vous et moi le voyons, l'espace et le temps sont en arrière-plan. Ils sont corrigés. Ils existent chronologiquement (et en quelque sorte monolithiquement.) En relativité générale, l'espace et le temps sont une dimension unifiée (appelée espace-temps, commodément). Mais voici le problème :l'espace-temps peut être grand et unifié, mais il ne traîne pas en arrière-plan. La théorie de la relativité générale dit que l'espace-temps peut être affecté par la matière. Cela signifie que vous - comme matière, existants - changent l'espace et le temps.
D'ACCORD, pas exactement. Ce sont en fait de très grandes choses qui créent une distorsion spatio-temporelle. Le soleil, par exemple, courbe l'espace-temps vers elle. Et qu'est-ce que cela impliquerait ? Ah, c'est vrai :des planètes plus petites tomberaient en orbite autour d'elle.
Ce qui nous amène à la gravité. En effet, la relativité générale n'était pas seulement Einstein tapotant Newton dans le dos et disant, "Oui, Monsieur, la gravité est une chose!" Au lieu de cela, Einstein nous a donné une raison pour la gravité - que la courbure de l'espace-temps a fait exister la gravité, et a fait agir l'univers comme il l'a fait.
Donc quel est le problème? Einstein nous a montré un fonctionnement époustouflant de l'univers, et la mécanique quantique nous montre une manière fascinante de travailler les particules aux niveaux atomique et subatomique. Malheureusement, l'un n'explique pas l'autre. Ce qui signifie qu'il doit y avoir une théorie plus large les englobant... ou pas ?
Un trou noir pourrait être l'un des meilleurs paris pour comprendre comment la mécanique quantique et la relativité sont liées l'une à l'autre. Sur la photo, un grand trou noir capte le gaz d'une étoile compagne. Image reproduite avec l'aimable autorisation de la NASA E/PO, Université d'État de Sonoma, Aurore Simonnet Nous ne pouvons pas comprendre comment la mécanique quantique et la théorie générale de la relativité pourraient se réconcilier sans d'abord comprendre comment elles ne le font pas actuellement. Car il s'avère que ni l'un ni l'autre ne fonctionne vraiment si l'autre est vrai.
Einstein a dit que l'espace-temps est une constante lisse, et que seules les grandes choses peuvent le déformer. La mécanique quantique a dit que les plus petites parties de l'univers sont constamment, fluctuant et changeant considérablement.
Si la mécanique quantique est correcte et que tout est constamment en mouvement flou, alors la gravité ne fonctionnerait pas comme Einstein l'avait prédit. L'espace-temps devrait aussi être constamment en contradiction avec tout ce qui l'entoure, et agirait en conséquence. De plus, la mécanique quantique a dit que vous ne pouviez pas - avec certitude - déclarer un ordre défini. Au lieu, il fallait se contenter de prédire les probabilités.
D'autre part, si la relativité générale est correcte, alors la matière ne pouvait pas fluctuer aussi sauvagement. Tu voudrais, à un moment donné, être capable de savoir où se trouve toute la matière et exactement où elle va. Lequel, de nouveau, est en contradiction avec la mécanique quantique.
Mais soyez assurés que les scientifiques, les physiciens et les experts en fauteuil essaient tous désespérément de trouver un moyen de concilier les deux. Un favori est la théorie des cordes, qui dit au lieu d'une particule agissant comme un point, il agit comme une chaîne. Cela signifie qu'il serait capable d'agiter, de bouger et de boucler et généralement de faire toutes sortes de choses qu'un point ne pourrait pas faire. Il pourrait également transmettre la gravité à un niveau quantique, et la propagation des particules sur une ficelle rendrait théoriquement un mouvement moins nerveux, ambiance moins folle. Ce qui ouvre la théorie, bien sûr, d'être d'accord avec la relativité générale. Mais gardez à l'esprit que la théorie des cordes n'a jamais été confirmée par aucune expérience - et il y a beaucoup de débats si elle peut être prouvée.
Si une expérience aussi monumentale devait se produire, cela se produirait probablement dans un accélérateur de particules. C'est là que nous pourrions trouver des superpartenaires. (Non, pas Batman et Robin). Superpartenaires font partie de la théorie des cordes qui dit que chaque particule a une particule partenaire supersymétrique qui est instable et qui tourne différemment (par exemple, l'électron et le sélectron ou le graviton et le gravitino). Heureusement pour nous, en 2010, nous avons trouvé des preuves de notre premier boson de Higgs lors de l'écrasement de particules dans le grand collisionneur de hadrons, nous sommes donc peut-être sur la bonne voie pour prouver expérimentalement la théorie des cordes.
Spin pourrait également nous aider à expérimenter avec intrication quantique , où les électrons se prennent dans la rotation les uns des autres. Il est facile de voir dans les petits espaces, mais les scientifiques s'efforcent d'envoyer des photons dans l'espace et de les renvoyer pour mesurer son fonctionnement sur une grande distance - et la courbure - de l'espace et du temps.
Mais nous pourrions également nous tourner vers les trous noirs pour élaborer une théorie du tout (une TOE !). Dans un trou noir, vous avez une chose vraiment lourde (une étoile, à laquelle s'applique la relativité générale) et une toute petite chose (le minuscule point dans lequel il est écrasé, ce que la mécanique quantique explique). Donc, si nous pouvons déterminer ce qui se passe - ou ce qui change - lorsque le gros devient petit, nous pourrions juste réconcilier la mécanique quantique et la théorie générale de la relativité.
Parfois, Je souhaite que le titre d'un article ne soit qu'un avertissement :"N'ayez pas peur de ce sujet." C'est dommage que ces grandes idées - les théories d'Einstein, mécanique quantique - ont la réputation d'être au-delà de la compréhension du public. Sûr, les mathématiques derrière cela dépassent la plupart d'entre nous, mais on peut saisir les idées sans elle. Il n'y a pas de dragons en physique; n'ayez pas peur de découvrir ce que vous ne savez pas.
